王 霞，汪 昊，徐 超，白廷柱，金偉其

紅外場景仿真技術(shù)發(fā)展綜述

王 霞，汪 昊，徐 超，白廷柱，金偉其

（北京理工大學(xué)光電成像技術(shù)與系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

紅外場景仿真技術(shù)在軍事領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。介紹了紅外場景仿真的3個(gè)階段：數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、輻射計(jì)算和后處理；對各階段的工作內(nèi)容和實(shí)現(xiàn)途徑做了簡單說明。按照紅外場景仿真技術(shù)的發(fā)展趨勢，分析了國外在各發(fā)展階段的主要工作，介紹了國內(nèi)紅外場景仿真概況及筆者目前的工作。最后指出了國內(nèi)在紅外場景仿真方面存在的幾個(gè)問題。

紅外場景仿真；輻射計(jì)算；渲染引擎

0 引言

紅外成像相對于可見光成像具有較大的優(yōu)勢，由此推動(dòng)了其在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用。為了評估紅外武器的作戰(zhàn)效能，必須研究場景的紅外輻射特性和成像系統(tǒng)性能。常規(guī)的評價(jià)方法為試驗(yàn)法，它能夠較為準(zhǔn)確的評價(jià)紅外成像系統(tǒng)對特定環(huán)境的適用性，但存在一定的局限性。

紅外成像質(zhì)量受場景輻射、氣象環(huán)境和成像系統(tǒng)性能3方面因素的影響，因此完善的試驗(yàn)測試應(yīng)該同時(shí)考慮這3個(gè)因素。這就需要采用不同型號(hào)的成像系統(tǒng)，在不同的氣象環(huán)境下，對不同場景進(jìn)行實(shí)際成像測試。但是受經(jīng)費(fèi)、人力和時(shí)間以及不可控因素的影響，如此多樣化的測試要求通常無法滿足。所以試驗(yàn)測試法無法滿足多樣化的測試需求。

因此采用仿真計(jì)算和試驗(yàn)相結(jié)合的測試方法便顯得尤為重要。紅外場景仿真是指從理論計(jì)算的角度，通過場景構(gòu)建、溫度場分布計(jì)算、輻射計(jì)算、大氣傳輸計(jì)算以及成像過程模擬來生成符合物理規(guī)律的紅外圖像。它除了用于成像系統(tǒng)性能評價(jià)之外，還可用于閉環(huán)自尋的紅外制導(dǎo)仿真研究[1]、目標(biāo)紅外偽裝研究[2]、紅外目標(biāo)識(shí)別跟蹤算法測試[3]、紅外目標(biāo)搜索時(shí)間和發(fā)現(xiàn)概率研究以及作戰(zhàn)人員訓(xùn)練等?？偟膩碚f，紅外場景仿真技術(shù)在軍事領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用價(jià)值和應(yīng)用前景。

1 紅外場景仿真技術(shù)

紅外場景仿真是對紅外成像過程的模型化描述，即目標(biāo)輻射經(jīng)大氣傳輸?shù)竭_(dá)成像系統(tǒng)，通過光電轉(zhuǎn)換和信號(hào)處理生成數(shù)字圖像。相應(yīng)的紅外場景仿真主要包含3個(gè)方面的內(nèi)容，即虛擬場景構(gòu)建、輻射計(jì)算和成像系統(tǒng)效果仿真。由此可以把紅外場景仿真過程歸納為如圖1的3個(gè)階段。

1.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

數(shù)據(jù)準(zhǔn)備是紅外場景仿真的前提，它包括4個(gè)方面的工作：場景幾何模型構(gòu)建、溫度數(shù)據(jù)獲取、光學(xué)材質(zhì)獲取以及數(shù)據(jù)與幾何模型的關(guān)聯(lián)。

虛擬場景由幾何模型構(gòu)成，它包括坐標(biāo)數(shù)據(jù)，用來表示物體的外觀形狀；法線數(shù)據(jù)，作為參考方向，用來確定入射角和反射角；紋理坐標(biāo)，用來確定一幅圖像與幾何模型關(guān)聯(lián)方式，即紋理映射方式。目前有多種建模工具可以實(shí)現(xiàn)幾何模型制作，如Multigen Creator，3D Max，Rhino等，地形制作可以采用Terra Vista。通常頂點(diǎn)坐標(biāo)和法線方向在建模過程中自動(dòng)生成，而紋理坐標(biāo)需要進(jìn)行調(diào)整。

溫度數(shù)據(jù)是計(jì)算自發(fā)輻射的前提，溫度數(shù)據(jù)可以通過試驗(yàn)測量和仿真計(jì)算獲得。試驗(yàn)測量數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確，但是其局限性較大。一方面溫度是隨時(shí)間變化的，測量數(shù)據(jù)只適用于特定時(shí)間點(diǎn)，另外目標(biāo)不同部位溫度差異較大，這就需要大量的溫度測試點(diǎn)。仿真計(jì)算法是根據(jù)目標(biāo)材質(zhì)類型、氣象條件和對流狀況等建立熱平衡方程來求解溫度值。該方法計(jì)算過程復(fù)雜，模型的準(zhǔn)確性需要加以驗(yàn)證。

紅外輻射計(jì)算過程中需要用到光學(xué)材質(zhì)數(shù)據(jù)，主要有發(fā)射率和反射數(shù)據(jù)。根據(jù)應(yīng)用需求不同所需要的數(shù)據(jù)也會(huì)不同，如波段仿真只需要提供波段平均值，而光譜仿真則需要提供光譜值。另外反射模型不同，要求的反射數(shù)據(jù)也不同，例如粗略仿真采用反射率，而精確仿真采用雙向反射分布函數(shù)（BRDF）[4]。

幾何模型不同部位的溫度和光學(xué)材質(zhì)是不同的，因此必須實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與幾何模型的準(zhǔn)確關(guān)聯(lián)。溫度關(guān)聯(lián)有3種方法，一是為每個(gè)幾何面元指定一個(gè)溫度值，二是為幾何模型每個(gè)頂點(diǎn)指定一個(gè)溫度值，三是通過紋理映射實(shí)現(xiàn)溫度紋理與幾何模型的關(guān)聯(lián)。材質(zhì)數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)也有3種方法，一是為每個(gè)幾何面元指定材質(zhì)編號(hào)，二是采用材質(zhì)編號(hào)紋理映射法，然后通過材質(zhì)編號(hào)在材質(zhì)庫中索引材質(zhì)參數(shù)，三是直接制作材質(zhì)參數(shù)紋理。紋理映射法較為方便，能夠提高溫度分辨率和材質(zhì)分辨率，而為頂點(diǎn)指定溫度或材質(zhì)數(shù)據(jù)所得到分辨率要稍微低一些。

1.2 輻射計(jì)算

紅外場景中的輻射計(jì)算包括自發(fā)輻射、反射輻射和大氣衰減及程輻射。紅外輻射計(jì)算方程可表示為：

pup＝(emit＋ref)＋path(1)

式中：pup，emit，ref和path分別為紅外熱像儀入瞳輻亮度、自發(fā)輻射輻亮度、反射輻亮度以及大氣路徑輻射輻亮度；為大氣路徑透過率。

自發(fā)輻射計(jì)算較為直觀，在已知溫度及發(fā)射率的情況下，對普朗克公式進(jìn)行波段積分即可。在紅外場景仿真中，大氣透過率和程輻射通常采用大氣模型軟件如LOWTRAN或MODTRAN來計(jì)算，這里不再詳細(xì)說明。反射輻射取決于外界輻射源強(qiáng)度和材質(zhì)的反射特性。不同于可見光波段仿真，在紅外波段一切物體都是紅外輻射源，所以應(yīng)該考慮半球空間所有輻射源對反射輻射的貢獻(xiàn)，半球空間輻射源通常包括天空、地面、太陽以及場景中的其他物體。半球空間反射輻射可表示為：

式中：r為雙向反射分布函數(shù)；i為半球空間輻射源輻亮度。

但是上面的積分式在紅外場景仿真中是很難計(jì)算的，主要解決途徑有2個(gè)：一是采用Monte Carlo法對積分式進(jìn)行求解，這在可見光仿真方面應(yīng)用較廣，適用于光線追跡渲染法；二是面對實(shí)時(shí)性需求，對積分表達(dá)式進(jìn)行簡化，常用于光柵渲染法。

圖1 紅外場景仿真的3個(gè)階段

紅外場景仿真最關(guān)鍵的一步是可視化過程，即利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的相關(guān)理論，根據(jù)紅外輻射計(jì)算模型，把三維場景渲染成二維紅外輻射圖像。渲染引擎可分為兩大類：一類是光柵渲染引擎，它的典型代表有兩大底層3D繪圖編程接口程序OpenGL和Direct3D，以及在底層接口程序上封裝而成的集成化渲染引擎OSG（Open Scene Graph）和OGRE（Object-Oriented Graphics Rendering Engine）；另一類是光線追跡渲染引擎，它的典型代表有POV-Ray（Persistence of Vision Raytracer），以及基于GPU的并行光線追跡渲染引擎OptiX。

光柵渲染引擎采用透視投影算法生成二維圖像，它可以利用GPU硬件結(jié)構(gòu)進(jìn)行并行繪制，渲染速度較快，常用于實(shí)時(shí)仿真。但是由于采用光柵插值法來確定面元內(nèi)部輻射，計(jì)算精度不高，另外它無法體現(xiàn)光的反射、折射等特性，生成圖像保真度不高。采用光柵渲染引擎進(jìn)行紅外場景仿真時(shí)，通常要用到可編程渲染管線，輻射計(jì)算模型在頂點(diǎn)渲染程序和片元渲染程序中執(zhí)行。

光線追跡法從視點(diǎn)發(fā)射一系列穿過像平面的光線，每條光線對應(yīng)像平面上的一個(gè)像素值。接著光線和場景中的物體進(jìn)行相交判斷，確定相交物體后根據(jù)輻射算法計(jì)算交點(diǎn)輻射值。最后把交點(diǎn)輻射值賦給像平面上對應(yīng)的像素點(diǎn)，形成二維圖像。光線追跡法能夠表現(xiàn)光的基本屬性如反射、折射等，因此輻射計(jì)算精度相對于光柵法要高。但是通常計(jì)算效率較低，無法達(dá)到實(shí)時(shí)渲染的要求。

國外紅外仿真軟件，如DIRSIG[5]，SHIPIR[6]，SE-RAY-IR[7]，CAMEO-SIM[8]和MuSES[9]，在輻射渲染計(jì)算時(shí)采用了光線追跡法來提高輻射計(jì)算精度，但是對于有實(shí)時(shí)性要求的場合，一般采用光柵渲染法，如Vega[10]、SE-FAST-IR[7]。

1.3 后處理

在紅外場景仿真中，渲染引擎輸出的是二維輻亮度圖，接著紅外成像系統(tǒng)把二維紅外輻射信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，經(jīng)數(shù)字化后生成數(shù)字圖像。完整的紅外場景仿真應(yīng)該考慮紅外成像系統(tǒng)的影響。成像系統(tǒng)對成像質(zhì)量的影響可以從空間域仿真和頻率域仿真來描述。成像系統(tǒng)仿真框圖如圖2所示。

成像系統(tǒng)的對圖像質(zhì)量的影響主要包括光學(xué)系統(tǒng)和探測器。其中光學(xué)系統(tǒng)對空域的影響包括鏡頭消光、像畸變以及漸暈效果，對頻域的影響包括像差和衍射。探測器對空域的影響有光電轉(zhuǎn)換、非均勻性響應(yīng)、飽和、噪聲以及電子增益，對頻域的影響主要表現(xiàn)為光敏元空間響應(yīng)、電子濾波以及電荷轉(zhuǎn)移不完全。在近似條件下，可以把紅外成像系統(tǒng)視為線性移不變系統(tǒng)，用調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）來描述成像系統(tǒng)對圖像空間分辨率的影響[11]。

2 國外發(fā)展概況

國外對紅外場景仿真的研究開始于20世紀(jì)80年代，經(jīng)過30多年的發(fā)展，已經(jīng)開發(fā)出一系列成熟的商業(yè)化仿真軟件。在溫度場計(jì)算方面，由早期的經(jīng)驗(yàn)/半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦^渡到第一原理模型。然后著重于目標(biāo)與背景的熱交互以及提高輻射計(jì)算精度，同時(shí)致力于仿真軟件的功能模塊擴(kuò)展。

2.1 經(jīng)驗(yàn)/半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

經(jīng)驗(yàn)/半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪侵咐迷囼?yàn)測量或經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷玫降臏囟戎祷蜉椛渲颠M(jìn)行紅外場景仿真。1980年，Jacobs采用一維熱模型計(jì)算具有簡單幾何外形的物體表面溫度[12]，這是場景仿真的開端。接著Hinderer采用經(jīng)驗(yàn)和測量數(shù)據(jù)對小型車輛進(jìn)行了紅外仿真[13]。隨后Ben-Yosef等從統(tǒng)計(jì)的角度對自然地表的溫度場進(jìn)行了分析研究[14]。1985年，Kornfeld通過測量數(shù)據(jù)建立了溫度分布的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚15]。Biesel建立了物體表面熱平衡方程，在一系列假設(shè)條件下，給出了物體溫度的解析解[16]。1990年，Curtis等人建立了物體表面溫度隨時(shí)間、材質(zhì)類型、氣象條件以及物體方位變化的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚17]。1997年，L.S.Balfor等通過幾年時(shí)間對自然地表溫度的測量，建立了地表溫度關(guān)于太陽、天空、氣溫和風(fēng)速的函數(shù)的通用表達(dá)式[18]。

圖2 紅外成像系統(tǒng)仿真

經(jīng)驗(yàn)/半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ屯ǔ＝⒃诖罅康脑囼?yàn)觀測數(shù)據(jù)之上，需要進(jìn)行長期的觀測，因此人力物力投入較大。另外由于觀測地域有限，模型適用性受限。另外經(jīng)驗(yàn)/半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ洼^為粗糙，無法反映溫度的微小變化，溫度精度不高。

2.2 第一原理模型

第一原理模型綜合考慮影響物體溫度變化的各種因素，建立物體的熱平衡方程，通過數(shù)值計(jì)算求解物體表面的溫度值。1987年，Gonda介紹了基于第一原理求解車輛溫度的三維熱傳導(dǎo)模型PRISM，它較為全面地考慮了各種因素對物體溫度變化的影響[19]。1988年，美國佐治亞理工學(xué)院的Sheffer等采用第一原理開發(fā)了紅外場景圖像生成系統(tǒng)GTVISIT，溫度采用基于三維熱網(wǎng)絡(luò)法的GTSIG模塊來計(jì)算?？紤]了太陽天空輻射、傳質(zhì)過程（蒸發(fā)，冷凝，升華，降雨）、流體傳輸、遮擋和多次反射等對溫度的影響[20]。1990年，DCS公司開發(fā)了一維熱傳導(dǎo)溫度計(jì)算軟件THERM，并被整合到仿真軟件DIRSIG中[5]。1998年，Johnson介紹了ThermoAnalytics公司開發(fā)的替代PRISM用來進(jìn)行紅外信號(hào)分析的仿真工具M(jìn)uSES，它是對PRISM的進(jìn)一步擴(kuò)展，集成了溫度計(jì)算和紅外仿真功能[9]。

以上這些模型代表了紅外場景仿真發(fā)展的一個(gè)新階段，研究者傾向于采用第一原理模型來計(jì)算物體表面的溫度。通常這些模型都較為復(fù)雜，需要考慮氣象條件、外界輻射源、傳導(dǎo)、對流及熱輻射損失，同時(shí)需要考慮目標(biāo)的方位、工作狀態(tài)、仿真地理位置和仿真時(shí)間等。

2.3 仿真精度的提高與功能擴(kuò)展

作為紅外場景仿真中的重要組成部分，溫度求解的理論和方法已經(jīng)形成，進(jìn)一步提升的可能性不大。研究者開始把注意力轉(zhuǎn)移到了仿真精度的提高和仿真功能的擴(kuò)展上。為增加紅外仿真圖像紋理細(xì)節(jié)，Schott等提出一種為多光譜仿真圖像添加紅外紋理的方法[21]。2000年，Priest進(jìn)行了偏振BRDF模型的推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)測量[22]。接著Meyers把該偏振模型加入到了DIRSIG仿真模型中[5]，完成了從非偏紅外仿真到偏振紅外仿真的擴(kuò)展。Haynes等人介紹了CAMEO-SIM在熱陰影仿真方面的改進(jìn)以及用于檢驗(yàn)仿真質(zhì)量的仿真評估系統(tǒng)FIRE[8]。Gonda等人研究了車輛與地表間紅外輻射的影響，提出了目標(biāo)與背景作用的4個(gè)等級(jí)，指出計(jì)算目標(biāo)和背景溫度時(shí)要考慮它們之間的相互影響[23]。

2008年，Kwan等介紹了高光譜仿真系統(tǒng)IRHSS，它采用高光譜版的MuSES來計(jì)算場景溫度，輻射計(jì)算時(shí)采用了方向發(fā)射率、雙向反射分布函數(shù)以及多次反射模型來確保計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性[24]。2013年，Coiro采用基于Monte Carlo光線追跡的全局光照模型來計(jì)算飛行器紅外輻射[25]，提高了輻射計(jì)算的準(zhǔn)確性。DIRSIG采用了新的分層光線追跡法來提高輻射計(jì)算精度[26]。

實(shí)際應(yīng)用對仿真精度的要求不斷提高，由此對模型進(jìn)行了一系列改進(jìn)。采用在計(jì)算反射輻射時(shí)，不再采用簡單的反射模型，而是采用更加符合材質(zhì)反射規(guī)律的BRDF模型。在進(jìn)行目標(biāo)與背景仿真時(shí)，不再把二者分割開分別建模，而是采用更加符合自然規(guī)律的交互模型。仿真過程中，不僅要求仿真結(jié)果滿足物理規(guī)律，而且要求仿真圖像具有逼近真實(shí)圖像的紋理細(xì)節(jié)。與此同時(shí)，仿真的范圍也不斷擴(kuò)展，由非偏振仿真擴(kuò)展到偏振仿真，由波段仿真擴(kuò)展到多光譜仿真和超光譜仿真。輻射計(jì)算時(shí)不斷引入在可將光仿真方面發(fā)展較為成熟的算法，以提高輻射計(jì)算精度。

3 國內(nèi)發(fā)展概況

國內(nèi)在紅外場景仿真方面的研究開始于20世紀(jì)90年代，相對于國外晚了10年左右的時(shí)間，因此整體水平相對落后。但總的來說，國內(nèi)已對大量的紅外目標(biāo)和背景進(jìn)行了紅外成像建模與仿真，開發(fā)了集成仿真平臺(tái)，并進(jìn)行了仿真精度提升方面的工作。

圖3 熱陰影隨時(shí)間的變化

1）自然地表仿真方面張建奇等進(jìn)行了自然地表和植被地表溫度場計(jì)算[27-29]。韓玉閣等提出了叢林溫度與紅外特征模型[30]，接著利用隨機(jī)模擬方法[31]，概率統(tǒng)計(jì)方法和分形技術(shù)[32]，模擬生成了自然地表的紅外圖像。宣益民采用馬爾可夫隨機(jī)場理論對可見光圖像進(jìn)行分割，計(jì)算不同區(qū)域熱輻射生成紅外圖像[33]。邵曉鵬等建立了土壤與植被混合型地表的溫度場理論模型[34]。柳倩結(jié)合土壤—植被混合地表的材質(zhì)組成及空間分布特點(diǎn)，建立了溫度場的耦合求解模型[35]。

2）目標(biāo)仿真方面韓玉閣和宣益民等人進(jìn)行了坦克車輛[36]、橋梁等目標(biāo)的紅外熱輻射建模分析，建立了坦克運(yùn)動(dòng)過程中履帶摩擦溫度變化模型[37]，坦克火炮發(fā)射過程中炮膛的溫升模型[38]，動(dòng)力艙表面溫度模型[39]，進(jìn)而模擬出了坦克的紅外圖像。羅來科采用三維有限元計(jì)算了水陸坦克的溫度分布情況，生成了水陸坦克和背景的紅外模擬圖像[40]。王章野對城市場景進(jìn)行了紅外仿真建模，采用一維有限差分法計(jì)算出了城市路面、建筑等表面不同時(shí)刻的溫度，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)紅外場景的實(shí)時(shí)生成和虛擬漫游[41]。

3）集成仿真方面2007年左右，西安電子科技大學(xué)紅外技術(shù)實(shí)驗(yàn)室開始采用集成化的渲染OGRE進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)紅外場景的生成工作，開發(fā)了紅外場景仿真平臺(tái)PRISSE[42-45]，實(shí)現(xiàn)了中波和長波輻射仿真，考慮了大氣效應(yīng)和探測器效應(yīng)。該平臺(tái)輻射計(jì)算過程采用可編程渲染管線在GPU中進(jìn)行，編程語言為Cg，相關(guān)數(shù)據(jù)由DDS浮點(diǎn)紋理傳入GPU。PRISS本身不具備溫度場的計(jì)算功能，它只是根據(jù)現(xiàn)有的溫度數(shù)據(jù)、光學(xué)參數(shù)以及大氣數(shù)據(jù)來生成紅外輻射圖。類似的還有北京郵電大學(xué)基于OSG開源渲染引擎的紅外場景仿真系統(tǒng)[46]，電子科技大學(xué)基于OGRE渲染引擎的仿真系統(tǒng)[47]。

4）提升仿真精度方面趙燦用可見光微觀紋理對宏觀均值溫度進(jìn)行調(diào)制來生成紅外紋理[48]。張鑫對比研究各種BRDF反射模型，采用Schlick BRDF模型來進(jìn)行紅外反射輻射計(jì)算[4]。韓玉閣建立運(yùn)動(dòng)車輛和地面之間熱學(xué)以及力學(xué)的模型[36]。黃曦對包含光譜積分的輻射傳輸方程進(jìn)行了去耦合，采用有效平均值來替代光譜積分式以提高了準(zhǔn)確度[49]。吳鑫提出了一個(gè)BRDF模型用于大規(guī)模場景中波紅外仿真[50]。接著吳鑫又對仿真場景中面元的可見性進(jìn)行判斷，進(jìn)而求出面元間相互反射輻射，提升了反射輻射計(jì)算精度[51]。

北京理工大學(xué)的李宏寧自建基于CPU的光線追跡渲染引擎，進(jìn)行了紅外場景仿真，生成了多波段紅外輻射圖像[52]。胡海鶴采用OpenGL渲染引擎開發(fā)了基于數(shù)據(jù)庫查表法的紅外場景仿真軟件[53]。筆者目前主要進(jìn)行了三方面的工作。

采用OptiX并行光線追跡渲染引擎進(jìn)行大規(guī)模自然場景溫度場計(jì)算，該方法利用了GPU的并行運(yùn)算能力，能夠顯著提高計(jì)算效率。在溫度計(jì)算時(shí)考慮了太陽光遮擋效果，能夠生成溫度陰影，此外采用反向紋理映射法保存溫度數(shù)據(jù)提高了溫度分辨率。不同時(shí)刻溫度計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

采用OptiX并行光線追跡渲染引擎進(jìn)行紅外仿真平臺(tái)的開發(fā)，提出了多路徑光線追跡法進(jìn)行半球空間采樣來提高輻射計(jì)算精度，并采用了Monte Carlo法和重要采樣法來加快積分求解收斂速度。該平臺(tái)中波和長波渲染效果如圖5所示。

采用OSG集成渲染引擎開發(fā)了大規(guī)模場景實(shí)時(shí)紅外仿真系統(tǒng)，用于自尋的紅外制導(dǎo)系統(tǒng)閉環(huán)仿真。傳感器效應(yīng)仿真模塊采用了GPU CUDA并行算法來處理。對于11km×9km的大規(guī)模場景，渲染尺寸為640×480的圖像，幀頻可達(dá)到60Hz。不同時(shí)刻長波仿真效果圖如圖6所示。

圖4 不同時(shí)刻溫度效果圖

圖5 不同波段仿真效果圖

圖6 長波不同時(shí)刻仿真效果圖

4 結(jié)語

紅外場景仿真技術(shù)對紅外成像系統(tǒng)性能評估、成像成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)、紅外武器部署選型等具有重要的指導(dǎo)意義。但是國內(nèi)在這方面的研究仍然不夠，首先國內(nèi)缺乏對仿真材質(zhì)庫的建設(shè)，因此仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性無法保證。其次國內(nèi)對紅外場景仿真的驗(yàn)證工作不夠，缺乏系統(tǒng)性的驗(yàn)證手段。另外國內(nèi)仿真軟件的集成度不夠，通常為特定用途開發(fā)，通用性不強(qiáng)，功能單一，無法形成具有商用價(jià)值的軟件。最后，溫度場是提前計(jì)算好導(dǎo)入到仿真系統(tǒng)中的，對實(shí)際場景中的物體在交互過程中所涉及的物理變化考慮不夠。總的來說，國內(nèi)在紅外場景仿真方面還有很長的路要走。

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Overview on Development of Infrared Scene Simulation

WANG Xia，WANG Hao，XU Chao，BAI Ting-zhu，JIN Wei-qi

(,,100081,)

Infrared scene simulation technology has promising application in military area. The three stages of infrared scene simulation are introduced in this paper, which include data preparation, radiation calculation and post-processing. Related work and approaches during each stage are also briefly described. In addition, according to the development history of infrared scene simulation, a systematical conclusion on research done by foreign scholars is made. An overview of domestic studies on infrared scene simulation is given as well. After that, a succinct introduction to our current work is presented. Finally, we point out the present problems exiting in domestic research on infrared scene simulation.

infrared scene simulation，radiation calculation，rendering engine

TP391.9

A

1001-8891(2015)07-0537-07

2015-06-15；

2015-07-10。

王霞（1972-），女，副教授，博士生導(dǎo)師，主要從事光電檢測、光譜分析及微光與紅外成像方面的研究。E-mail：angelniuniu@bit.edu.cn。

國家自然基金重點(diǎn)項(xiàng)目，編號(hào)：61231014。