劉春雨，郭立紅，高 峰，王永偉

（1.中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所，吉林長春130033；

2.中國科學(xué)院研究生院，北京100039；3.空軍駐長春地區(qū)軍事代表室，吉林長春130012）

基于Vega的紅外圖像仿真

劉春雨1，2，郭立紅1，高 峰3，王永偉3

（1.中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所，吉林長春130033；

2.中國科學(xué)院研究生院，北京100039；3.空軍駐長春地區(qū)軍事代表室，吉林長春130012）

介紹了紅外成像仿真的基本理論，討論了利用Vega傳感器模塊將輸入的可見目標(biāo)圖像生成紅外圖像的技術(shù)。該技術(shù)使用Creator軟件進行三維幾何建模和紋理映射，使用TMM軟件進行紅外材質(zhì)建模；然后，用Mat軟件進行大氣衰減的計算；最后，用SensorWorks軟件進行傳感器特性建模，通過光電轉(zhuǎn)換生成紅外圖像。以阿帕奇AH6直升機為例進行了紅外圖像仿真，結(jié)果表明，利用Vega傳感器模塊進行傳感器建模，建模效果較好，成本低，易于工程實現(xiàn)。

紅外圖像；紅外仿真；大氣衰減；熱輻射

1 引 言

紅外成像仿真的理論研究及實現(xiàn)在各個領(lǐng)域都有著強烈的需求和應(yīng)用前景。在軍事領(lǐng)域，先進紅外成像制導(dǎo)和紅外對抗設(shè)施的研制，軍用紅外成像探測設(shè)備的更新?lián)Q代，軍事目標(biāo)的偵察、監(jiān)視、預(yù)警與跟蹤，對隱身飛行器的探測，對威脅進行紅外告警以及紅外通信、軍用夜視儀等都需要紅外技術(shù)的支持。在民用領(lǐng)域，國土資源的遙感和遙測，森林火災(zāi)的預(yù)防，農(nóng)作物生長狀況的紅外監(jiān)測，工業(yè)節(jié)能，設(shè)備熱故障診斷和野外作業(yè)人員的救生等也都廣泛應(yīng)用紅外技術(shù)。鑒于其廣泛的應(yīng)用前景，目前紅外成像技術(shù)已成為國內(nèi)外有關(guān)研究機構(gòu)的重要研究課題。

紅外成像仿真是根據(jù)目標(biāo)的紅外輻射特性，采用合適的數(shù)學(xué)模型，用計算機計算出紅外目標(biāo)的紅外輻射分布；然后，按照目標(biāo)與視點間的大氣條件，利用大氣傳輸模型計算目標(biāo)紅外輻射分布經(jīng)過大氣到達視點過程中的衰減；最后，模擬紅外探測器特性，計算探測器成像面元對應(yīng)像素的輻射度，再通過量化等手段，將輻射數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為亮度來顯示的一種技術(shù)。紅外成像仿真的具體實施主要包括以下幾個步驟［1］：（1）由場景（目標(biāo)、背景）的物理模型計算目標(biāo)的紅外輻射分布；（2）根據(jù)目標(biāo)與視點間的大氣條件，計算目標(biāo)紅外輻射分布經(jīng)過大氣到達視點過程中的衰減，即大氣衰減；（3）模擬紅外探測器的特性，做光/電轉(zhuǎn)換仿真，生成紅外圖像。

本文討論了利用Vega傳感器模塊將輸入的可見目標(biāo)圖像生成紅外圖像的技術(shù)，結(jié)果表明，利用Vega傳感器模塊進行傳感器建模，具有效果好、成本低、易實現(xiàn)的優(yōu)點。

2 目標(biāo)輻射特性建模

物體表面每個面元的輻射值，即感知的輻射值為［2］：

式中，Lobserv表示物體表面每個面元所受到的所有輻射之和，Lsolar/lunar物體表面對入射的太陽或月亮輻射的鏡面反射和漫反射，Lsky表示物體對天空輻射的反射，Ltherm表示物體自身的熱輻射，LSVpath表示物體與傳感器之間的路徑輻射和大氣對物體輻射的散射。各個輻射的計算公式如下：

在式（2）中Ldirect表示太陽或月亮入射到物體表面的輻射量，θi表示入射到物體表面的輻射角，ρ表示物體表面的漫反射系數(shù)，fs表示物體表面到傳感器之間的大氣傳輸系數(shù)，τs為物體對輻射的反射角，Ns表示鏡面反射的歸一化系數(shù)。式（3）中Lamb表示天空背景入射到物體表面的輻射量，式（4）中Lbb表示物體表面某個面元等效的黑體輻射量。式（5）中，Φ（λ）表示傳感器的光譜響應(yīng)，LR2表示R2路徑上的輻射。

3 大氣傳輸模型

在場景和探測器之間，還存在著大氣對紅外輻射的作用，因此，到達探測器的輻射是場景的紅外輻射與大氣衰減共同作用的結(jié)果。大氣對紅外輻射的衰減主要與以下因素有關(guān)：大氣氣體分子的吸收；大氣中分子、氣溶膠和微粒的散射；因氣象條件（云、霧、雨、雪）的衰減。

大氣光譜透過率τa可表示為：

式中，τn（λ）、τp（λ）、τt（λ）分別為被吸收、散射、和因氣象衰減制約的大氣光譜透過率。

計算大氣衰減的方法很多，主要有經(jīng)驗公式法和大氣模型法，目前精度較高的是美國的LOWTRAN模型。在Vega［3］中，使用MOSART Atmospheric Tool（MAT）［4］設(shè)定大氣傳輸模型，計算大氣透射率、大氣背景輻射、太陽或月亮的直接輻射等。

4 紅外探測器模型

按照紅外熱成像系統(tǒng)的成像原理，紅外輻射首先通過光學(xué)系統(tǒng)，光學(xué)系統(tǒng)將所接收到的紅外輻射收集起來，經(jīng)濾波后匯聚到光學(xué)系統(tǒng)焦平面上，隨后探測器逐點處理景物的紅外輻射并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)電信號，經(jīng)放大器處理后最終轉(zhuǎn)化為灰度值顯示出來。

4.1 成像系統(tǒng)的傳遞函數(shù)鏈［5］

傳遞函數(shù)用來定量描述輸出圖像與輸入圖像間的關(guān)系，客觀評價光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量。它描述了系統(tǒng)對空間頻率信號響應(yīng)的特征函數(shù)，表征系統(tǒng)空間分辨能力的大小。假設(shè)光學(xué)系統(tǒng)為衍射限制系統(tǒng)，則紅外熱成像系統(tǒng)的總體響應(yīng)為各個成像環(huán)節(jié)光學(xué)傳遞函數(shù)的乘積，從而紅外熱成像系統(tǒng)的傳遞函數(shù)表達如下：

式中，Ho（f）為光學(xué)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)；He（f）為電子線路的傳遞函數(shù)；Hd（f）為探測器的傳遞函數(shù)。

4.2 成像系統(tǒng)的噪聲模型

由于紅外探測過程受到噪聲影響，特別是探測器產(chǎn)生的噪聲。因此要得到紅外仿真圖像，必須考慮探測器的噪聲。一般紅外探測器的噪聲可表示如下：

其中，Vj為熱噪聲，由器件的分子熱運動引起載流子不規(guī)則運動引起；Vn為散粒噪聲，是由半導(dǎo)體器件中少量載流子擴散不均勻引起的；Vf為1/f噪聲，其功率譜隨頻率呈反比變化；Vo為產(chǎn)生-復(fù)合噪聲，是由于晶格熱振動引起載流子產(chǎn)生、復(fù)合的起伏造成的。

4.3 探測系統(tǒng)綜合模型

假設(shè)探測器噪聲服從均值為μ，方差為σ2的高斯分布，則探測器的綜合響應(yīng)模型可表示為：

式中，S（x，y）為探測器輸入信號；n（x，y）為探測器噪聲；F（x，y）為探測器最終輸出，即信號與噪聲之和與探測器傳遞函數(shù)Hs的卷積。

5 仿真過程和結(jié)果

紅外成像仿真系統(tǒng)設(shè)計首先要進行場景建模，這是紅外仿真的基礎(chǔ)，包括紅外模型，大氣模型，紅外材質(zhì)模型和背景輻射模型等；然后利用VEGE平臺渲染和驅(qū)動模型，使所有的模型在場景中能夠?qū)崟r渲染驅(qū)動；最后進行用戶的功能設(shè)計，完成紅外圖像的生成。仿真系統(tǒng)流程圖如圖1所示。

5.1 三維目標(biāo)建模［6］

模型是原型的模板，是對原型的模仿和描述。在仿真建模中，對模型主要有下面兩個要求：（1）精確性，指模型要能精確地反映出原型的基本特征；（2）簡要性，在描述原型的基本特征時，要對原型做某種簡化，突出其主要部分，略去次要部分，集中反映原型本質(zhì)特征，或者反映人們最感興趣的部分。

建模時，應(yīng)先考慮模型的簡要性，然后再逐步細化，構(gòu)造出一個精確模型。首先，建立概略模型，反映原型的整體特征。原型越復(fù)雜，越需要從整體上把握，概略模型越重要。概略模型一般把復(fù)雜的原型分成幾個簡單的主要部分，使人們從總體上了解整個原型的結(jié)構(gòu)，每個部分可以看作是一個子模型。第二步是對子模型建模，同樣可以對子系統(tǒng)進一步分解，分析子模型由哪幾個部件組成。第三步是綜合模型，子模型確立以后，可以根據(jù)系統(tǒng)概略模型的結(jié)構(gòu)把子模型綜合為原型的總體精確模型。

在幾何模型建立后，通過給幾何模型的表面加上各種材質(zhì)，設(shè)定光照條件等來提高模型的逼真度和質(zhì)感，同時在幾何模型的表面映射上各種紋理圖案，使模型變得更加生動和真實。

三維幾何建模的過程

1）使用Creator對AH6進行層次建模，建?？驁D如圖2所示。

2）選取目標(biāo)的紋理圖片，如圖3所示，對幾何模型進行紋理圖案映射，得到目標(biāo)的三維模型，如圖4所示。

5.2 紅外材質(zhì)建模

目標(biāo)和背景的幾何模型建成后，要為模型映射相對應(yīng)的紋理材質(zhì)。TMM（Texture Material Mapper）是Vega中用來將Creator三維模型可見光紋理轉(zhuǎn)換至材質(zhì)的輻射紋理的工具，它提供了一種方法用來完成從Vega提供的對象的紋理到材質(zhì)的映射。

5.3 大氣環(huán)境建模

在Vega中，利用MOSART Atmospheric Tool（MAT）設(shè)定大氣傳輸模型，計算大氣透射率、大氣背景輻射、太陽或月亮的直接輻射等。MAT工具是用來創(chuàng)建、編輯、生成大氣傳輸特性的數(shù)據(jù)庫。首先設(shè)定地理位置、大氣狀態(tài)、氣象條件和光譜波段等參數(shù)，然后利用MOSART和TERTEM軟件，根據(jù)所輸入的參數(shù)，得到特定光譜范圍內(nèi)的大氣傳輸特性以及相關(guān)物質(zhì)的輻射特性，生成相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，以供給紅外成像仿真過程中Sensor模塊調(diào)用。由于大氣傳輸特性的計算量巨大，因此這部分工作要在仿真前完成，以保證仿真的實時性。

5.4 傳感器建模

紅外圖像仿真的關(guān)鍵一步是得到紅外圖像，利用SensorVision模塊，加入目標(biāo)模型，大氣和紅外材質(zhì)模型，Vega軟件會根據(jù)大氣質(zhì)量、光譜、環(huán)境輻射、轉(zhuǎn)化因子、溫度等參數(shù)，實時計算得到場景的紅外圖像。但是這種圖像是理想狀態(tài)下的圖像，沒有任何雜波和干擾，沒有各種圖像噪聲。為了更具真實效果，還需模擬紅外探測器的成像效果。SensorWorks模塊可以對探測器進行仿真，加入光學(xué)透過率、孔徑、聚焦誤差、F數(shù)、探測器分辨力、探測器元數(shù)、系統(tǒng)靈敏閾、線路噪聲等參數(shù)，實時仿真平臺對探測器成像面元進行快速的計算，得到更加真實的紅外圖像。

5.5 仿真結(jié)果與分析

以阿帕奇AH6直升機為例，用Creator軟件建立三維紋理模型（如圖4）進行了紅外圖像仿真。在相同的氣象條件下，直升機面元溫度為273 K時，圖5是在3～5μm波長下的紅外圖像，圖6是在8～12μm波長下的紅外圖像，圖7是在加入隨機時間噪聲后在8～12μm波長下的紅外仿真圖像。

從以上圖像中可以看出，8～12μm圖像的光亮度比3～5μm的強，這是因為飛機在T=273 K時，其表面輻射的75％能量集中在10μm左右，即在8～12μm之間。圖7是圖6加入隨機時間噪聲后的圖像，圖像亮度變?nèi)?，可見傳感器噪聲對紅外成像影響較大。

6 結(jié) 論

本文討論了利用Vega傳感器模塊將輸入的可見目標(biāo)圖像生成紅外圖像的技術(shù)。該技術(shù)使用Creator軟件進行三維幾何建模和紋理映射，使用TMM軟件進行紅外材質(zhì)建模；然后，用Mat軟件進行大氣衰減的計算；最后，用SensorWorks軟件進行傳感器特性建模，根據(jù)目標(biāo)的輻射特性進行目標(biāo)的輻射計算。以阿帕奇AH6直升機為例進行了紅外圖像仿真，結(jié)果表明，利用Vega傳感器模塊進行傳感器建模，建模效果較好，成本低，易于工程實現(xiàn)。

［1］江照意.典型目標(biāo)場景的紅外成像仿真研究［D］.杭州：浙江大學(xué)，2007.JIANG ZH Y.Study on infrared image synthesis for typical target scenes［D］.Hangzhou：Zhejiang University，2007.（in Chinese）

［2］吳宗凡，柳美琳.紅外與微光技術(shù)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1998.WU Z F，LIU M L.Infrared and Micro-nano Technologies［M］.Beijing：National Defense Industry Press，1998.（in Chinese）

［3］王乘，李利軍，周均清，等.Vega實時三維視景仿真技術(shù)［M］.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2005.WANG CH，LIL J，ZHOU JQ，et al..Real-time 3D Visual Simulation Technology by Vega［M］.Wuhan：Huazhong University of Science and Technology Press，2005.（in Chinese）

［4］笪邦友.地面目標(biāo)背景的紅外成像仿真研究［D］.武漢：華中科技大學(xué)，2006.DA B Y.Study of the IR image simulation for ground objects and background［D］.Wuhan：Huazhong University of Science and Technology，2006.（in Chinese）

［5］肖甫，吳慧中，肖亮，等.地面坦克目標(biāo)紅外熱成像物理模型研究［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報，2005，17（11）：2577-2579.XIAO F，WU H ZH，XIAO L，et al..Study on infrared thermal imaging physicalmodel of ground tanks target［J］.J.System Simulation，2005，17（11）：2577-2579.（in Chinese）

［6］王乘，周均清，李利軍.Creator可視化仿真建模技術(shù)［M］.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2005.WANG CH，ZHOU JQ，LIL J.Visual Simulation and Modeling Technology by Creator［M］.Wuhan：Huazhong University of Science and Technology Press，2005.（in Chinese）

Infrared imaging simulation based on Vega

LIU Chun-yu1，2，GUO Li-hong1，GAO Feng3，WANG Yong-Wei3
（1.Changchun Institute of Optics，F(xiàn)ineMechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033，China；2.Graduate University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100039，China；3.Air Force Resident Office at Changchun Region，Changchun 130021，China）

The basic principles of infrared imaging simulation was introduced，and a method for generating infrared images from visible images based on Vega was discussed.By the proposed method，the Creator was used to establish a 3D gemetric model and to realize a texture mapping，then the Texture Material Mapper（TMM）was applied tomodelling for infrared materials.Furthermore，by using the Mat software，the atmospheric attenuation was calculated.A characteristicmodel of sensor was established by SensorWorks and infrared imageswere generated with photoelectric conversions.Finally，Apache AH6 helicopter was used in infrared simulation in this paper.The results show that themodule established by Vega sensor has advantages in effectivemodeling，low costs，and themethod is suitable for engineering practice.

infrared image；infrared simulation；atmospheric attenuation；heat radiation

TP391.9

：A

1674-2915（2010）02-0177-05

劉春雨（1985—），男，吉林長春人，碩士研究生，主要從事計算機仿真方面的研究。E-mail：liucy224＠163.com

2010-02-14；

2010-03-17