專利名稱：基于輻射能量特性和光譜特性的紫外場景仿真方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于場景仿真技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及基于輻射能量特性和光譜特性的紫外場景仿真方法及系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
軍用紫外探測技術(shù)拓展了軍事上可利用的電磁頻譜范圍，已廣泛應用于紫外告警、預警、通信及成像輔助導航、偵察、制導等領(lǐng)域，與紅外和可見光探測相比具有工作環(huán)境簡單、無需制冷、背景干凈等優(yōu)勢。在紫外武器裝備的生產(chǎn)和研制過程中，紫外探測系統(tǒng)進行仿真測試與性能評估都需要大量的紫外場景。外場實驗是紫外軍事裝備性能測試的最直接、最接近實戰(zhàn)的方案，但是對測試設(shè)備、條件和環(huán)境都有很高要求，并且需要巨大的經(jīng)費支持，有時具有一定的破壞力，因此有必要開展紫外場景仿真方法研究。目前常用的方法主要由兩種:第一種是采用遠場紫外導彈模擬源，通過對出射光束的控制，產(chǎn)生與導彈發(fā)射時具有相似光譜、強度等特征的羽煙的紫外輻射，這種測試方法每種模擬源只能針對特定型號的導彈；第二種是采用目標陣列模擬器，由多個車載液體丙烷焰源通過一定形式的開啟順序來模擬導彈特征，向被測設(shè)備提供導彈威脅激勵信號，這種測試方法結(jié)構(gòu)復雜，價格昂貴，且無法模擬復雜場景。目前紫外場景仿真主要是基于計算機控制的紫外輻射源，如遠場紫外模源和目標陣列模擬器等，按照輻射曲線來調(diào)制光強，在時間和空間上逼真模擬導彈及虛警源等強度特征、時間特性和空間特性，從而模擬導彈的發(fā)射、助推及逼近的過程。這種基于輻射強度的紫外仿真，只能仿真簡單的紫外場景、光譜信息不足，且信噪比比較低，不能滿足紫外裝備的仿真測試及技戰(zhàn)術(shù)性能驗證。目前現(xiàn)有技術(shù)存在的問題是仿真的紫外場景目標比較簡單，只能仿真導彈、虛警源等紫外目標，且每次只能在光譜和`輻射強度方面仿真單一目標，不具備復雜背景的合成功能，且仿真動態(tài)目標場景比較復雜、困難，成本太高且效率低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于提供基于輻射能量特性和光譜特性的紫外場景仿真方法及系統(tǒng)，旨在解決基于輻射強度的紫外仿真只能仿真簡單的紫外場景、光譜信息不足，且信噪比比較低，不能滿足紫外裝備的仿真測試及技戰(zhàn)術(shù)性能驗證的問題。本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的，基于輻射能量特性和光譜特性的紫外場景仿真方法，其中，所述紫外場景仿真方法包括以下步驟:步驟A:創(chuàng)建目標和背景的紅外場景仿真模型；步驟B:根據(jù)輻射能量特性和光譜特性，推算仿真的目標和背景模型中每個像素對應的輻射溫度值，反演出目標場景的紫外仿真圖像；步驟C:對反演的紫外仿真圖像進行圖像增強處理，從而最終獲得實用的紫外場景仿真圖像。
進一步地，所述步驟A包括以下步驟:步驟Al:通過可視化三維建模軟件用多個三角形面元建立物體的外觀輪廓；步驟A2:對所述每個三角形面元添加紋理和材質(zhì)，進行渲染著色；步驟A3:讀取所述紋理和材質(zhì)的映射文件和大氣文件，根據(jù)輻射能量特性和光譜特性，利用輻射度計算公式計算場景中的紅外輻射強度，并將輻射強度量化為灰度值，從而生成紅外譜段動態(tài)場景仿真輻射圖像。進一步地，所述步驟B包括以下步驟:步驟B1:利用紅外熱像的灰度與輻射出射度的關(guān)系，結(jié)合普朗克黑體輻射公式，利用最小二乘擬合法擬合出輻射出射度與溫度的關(guān)系；步驟B2:根據(jù)所述輻射出射度與溫度的關(guān)系，利用艾肯特加速不動點迭代法推算出目標場景圖像中每個像素對應的輻射溫度值；步驟B3:根據(jù)所述的每個像素對應的輻射溫度值，用普朗克公式
exp(^:]-1 dl.，其中，Cl=3.741832X IO4W CnT2 U m4 為第一輻射常
數(shù)，C2=L 438786 X IO4 Um-K為第二輻射常數(shù)，T為目標的溫度，計算目標場景在紫外譜段的輻射出射度值；步驟B4:根據(jù)公式M( i，j) = I (i, j) (Mmax-Mmin) /255+Mmin進行輻射值的灰度量化，其中，Mmin和Mmax分別為紅外圖像中最高溫度Tmax和最低溫度Tmin對應的輻射出射度，I (i, j)為紅外圖像的灰度值。進一步地，步驟C中所述圖像增強處理包括以下步驟:步驟Cl:對初始紫外仿真圖像進行灰度歸一化處理；步驟C2:采用基于直方圖分段變化的圖像非線性增強方法對所述灰度歸一化的紫外仿真圖像進行圖像增強；步驟C3:進一步提高圖像的清晰度及信噪比，并避免圖像過度增強。進一步地，所述灰度歸一化處理采用公式I’ = (1-1fflin)/(Ifflax-1fflin)得到。本發(fā)明還提供基于輻射能量特性和光譜特性的紫外場景仿真系統(tǒng)，其中，包括:紅外場景創(chuàng)建模塊，用于創(chuàng)建目標和背景的紅外場景仿真模型；紫外仿真圖像反演模塊，與所述紅外場景創(chuàng)建模塊相連，根據(jù)輻射能量特性和光譜特性來推算仿真的目標和背景模型中每個像素對應的輻射溫度值，反演出目標場景的紫外仿真圖像；紫外場景仿真圖像獲取模塊，與所述紫外仿真圖像反演模塊相連，對反演的紫外仿真圖像進行圖像增強處理，從而最終獲得實用的紫外場景仿真圖像。進一步地，所述紅外場景創(chuàng)建模塊包括:外觀輪廓建立模塊、著色模塊和動態(tài)場景仿真輻射圖像生成模塊；所述外觀輪廓建立模塊，將多個三角形面元在可視化三維建模軟件上建立物體的外觀輪廓；所述著色模塊，與所述外觀輪廓建立模塊相連，對所述外觀輪廓建立模塊中的每個三角形面元添加紋理和材質(zhì)，并進行渲染著色；所述動態(tài)場景仿真輻射圖像生成模塊，與所述著色模塊相連，讀取所述著色模塊中紋理和材質(zhì)的映射文件和大氣文件，根據(jù)輻射能量特性和光譜特性，利用輻射度計算公式計算場景中的紅外輻射強度，并將輻射強度量化為灰度值，從而生成紅外譜段動態(tài)場景仿真輻射圖像。進一步地，所述紫外仿真圖像反演模塊包括:輻射出射度與溫度的擬合模塊、輻射溫度計算模塊、輻射出射度計算模塊和灰度值計算模塊；所述輻射出射度與溫度的擬合模塊，利用紅外熱像的灰度與輻射出射度的關(guān)系，結(jié)合普朗克黑體輻射公式，利用最小二乘擬合法擬合出輻射出射度與溫度的關(guān)系；所述輻射溫度計算模塊，與所述輻射出射度與溫度的擬合模塊相連，根據(jù)所述輻射出射度與溫度的關(guān)系，利用艾肯特加速不動點迭代法推算出目標場景圖像中每個像素對應的輻射溫度值；所述輻射出射度計算模塊，與所述輻射溫度計算模塊相連，根據(jù)所述輻射溫度計
廣-1-1
算模塊計算出的每個像素對應的輻射溫度值，用普朗克公式夂計
算目標場景在紫外譜段的輻射出射度值，其中，c1=3.741832 X IO4W cm_2 Um4為第一輻射常數(shù)，C2=L 438786 X IO4U m K為第二福射常數(shù)，T為目標的溫度；所述灰度值計算模塊，與所述福射出射度計算模塊相連,根據(jù)公式M(i, j)=I (i, j) (Mmax-Mmin)/255+Mmin進行輻射值的灰度量化，其中，Mmin和Mmax分別為紅外圖像中最高溫度Tmax和最低溫度Tmin對應的輻射出射度，I (i, j)為紅外圖像的灰度值。進一步地，所述紫外場景仿真圖像獲取模塊包括:灰度歸一化處理模塊、圖像增強模塊和清晰度處理模塊；·所述灰度歸一化處理模塊，對初始紫外仿真圖像進行灰度歸一化處理；所述圖像增強模塊，與所述灰度歸一化處理模塊相連，采用基于直方圖分段變化的圖像非線性增強方法對所述灰度歸一化處理模塊處理的紫外仿真圖像進行圖像增強；所述清晰度處理模塊，與所述圖像增強模塊相連，用于進一步提高所述圖像增強模塊處理后的圖像的清晰度及信噪比，并避免圖像過度增強。進一步地，所述灰度歸一化處理模塊包括灰度歸一化計算單元，所述灰度歸一化計算單元采用公式I’ = (1-1fflin)/(Ifflax-1fflin)計算得到灰度歸一化結(jié)果。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，有益效果在于:(I)能夠提供包括目標的幾何形狀、紫外輻射特性、運動特性等信息的紫外仿真場
旦
牙、；(2)能夠進行不同氣候、復雜背景的高信噪比紫外場景合成；(3)利用圖像灰度歸一化和直方圖分段變化圖像增強技術(shù)，提高了圖像清晰度，突出了紫外探測背景干凈的優(yōu)勢；(4)具有目標和背景置加功能。


圖1是本發(fā)明實施例提供的紫外場景仿真方法流程圖；圖2是本發(fā)明實施例提供的紫外場景仿真系統(tǒng)具體操作模塊圖。
具體實施例方式為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。本發(fā)明提出基于輻射能量特性和光譜特性的紫外場景仿真，目的是能夠提供包括目標的幾何形狀、紫外輻射特性、運動特性等信息，能夠進行不同氣候、復雜背景的高信噪比紫外仿真圖像，而且能夠進行目標和背景的圖像疊加，突出紫外探測背景干凈的優(yōu)勢，為紫外武器裝備系統(tǒng)設(shè)計和研制以及戰(zhàn)術(shù)技術(shù)的性能驗證提供仿真測試手段。本發(fā)明以目標和背景三維紅外仿真場景或?qū)崪y紅外圖像為基礎(chǔ)，提出了基于目標場景的輻射能量特性和光譜特性的紫外場景仿真方法。該方法首先創(chuàng)建目標和背景的紅外場景仿真；然后根據(jù)輻射能量特性和光譜特性，推算仿真的目標模型中每個像素對應的輻射溫度，利用黑體輻射理論結(jié)合普朗克公式，計算目標場景在紫外譜段的輻射出射度及紫外圖像灰度，從而反演出目標場景的紫外仿真圖像；最后對反演的紫外圖像進行圖像增強處理，增加圖像的清晰度及對比度，從而最終獲得實用的紫外場景仿真圖像。如圖1、圖2所示，本發(fā)明的技術(shù)方案詳細如下:步驟A:創(chuàng)建目標和背景的紅外場景仿真模型。通過仿真建模技術(shù)實現(xiàn)高分辨率、復雜環(huán)境的目標和背景紅外場景仿真。首先通過可視化三維建模軟件Multigen Creator用多個三角形面元建立物體的外觀輪廓。然后每個面元添加紋理和材質(zhì)·，進行渲染著色，增強模型的真實感和逼真度。最后，利用Vega的特殊模塊Sensor Vision讀取紋理材質(zhì)映射文件*.tmm和大氣文件*.mat,考慮路徑福射、太陽和月亮輻射、背景輻射、大氣路徑衰減、大氣路徑傳輸?shù)纫蛩?，根?jù)輻射能量特性和光譜特性，利用輻射度計算公式計算場景中的紅外輻射強度，并將輻射強度量化為灰度值，從而生成紅外譜段動態(tài)場景仿真輻射圖像。或者可以利用短波、中波、長波紅外熱像儀，直接拍攝獲得目標和背景的紅外場景圖像。步驟B:根據(jù)輻射能量特性和光譜特性，推算仿真的目標和背景模型中每個像素對應的輻射溫度值，反演出目標場景的紫外仿真圖像。根據(jù)輻射能量特性和光譜特性，在目標和背景紅外場景仿真的基礎(chǔ)上，利用紅外熱像的灰度與輻射出射度的關(guān)系M(i, j) = I (i, j) (Mmax-Mmin)/255+Mmin(I)其中，Mmin和Mmax分別為紅外圖像中最高溫度Tmax和最低溫度Tmin對應的輻射出射度，I(i，j)為紅外圖像的灰度值。結(jié)合普朗克黑體輻射公式，利用最小二乘擬合法擬合輻射出射度與溫度的關(guān)系，以200-600° C為例在3-5 ii m內(nèi)，輻射出射度與溫度的關(guān)系M=6.4258X l(T12T4-4.5734 X l(T9T3+9.7503 X 1(T7T2_2.7127 X IO^5T-0.0076
(2)在8-12 U m內(nèi)輻射出射度與溫度的關(guān)系M=-L 7378X l(T12T4+2.4523 X 1(T9T3_2.9358 X 1(T7T2_9.855X l(T5T+0.0159(3)利用艾肯特加速不動點迭代法推算出目標場景圖像中每個像素對應的輻射溫度值。步驟C:對反演的紫外仿真圖像進行圖像增強處理，從而最終獲得實用的紫外場景仿真圖像。根據(jù)推算的每個像素點的溫度，引入目標的輻射特性，根據(jù)普朗克公式
權(quán)利要求
1.基于輻射能量特性和光譜特性的紫外場景仿真方法，其特征在于，所述紫外場景仿真方法包括以下步驟: 步驟A:創(chuàng)建目標和背景的紅外場景仿真模型； 步驟B:根據(jù)輻射能量特性和光譜特性， 推算仿真的目標和背景模型中每個像素對應的輻射溫度值，反演出目標場景的紫外仿真圖像； 步驟C:對反演的紫外仿真圖像進行圖像增強處理，從而最終獲得實用的紫外場景仿真圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于輻射能量特性和光譜特性的紫外場景仿真方法，其特征在于，所述步驟A包括以下步驟: 步驟Al:通過可視化三維建模軟件用多個三角形面元建立物體的外觀輪廓； 步驟A2:對所述每個三角形面元添加紋理和材質(zhì)，進行渲染著色； 步驟A3:讀取所述紋理和材質(zhì)的映射文件和大氣文件，根據(jù)輻射能量特性和光譜特性，利用輻射度計算公式計算場景中的紅外輻射強度，并將輻射強度量化為灰度值，從而生成紅外譜段動態(tài)場景仿真輻射圖像。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于輻射能量特性和光譜特性的紫外場景仿真方法，其特征在于，所述步驟B包括以下步驟: 步驟B1:利用紅外熱像的灰度與輻射出射度的關(guān)系，結(jié)合普朗克黑體輻射公式，利用最小二乘擬合法擬合出輻射出射度與溫度的關(guān)系； 步驟B2:根據(jù)所述輻射出射度與溫度的關(guān)系，利用艾肯特加速不動點迭代法推算出目標場景圖像中每個像素對應的輻射溫度值； 步驟B3:根據(jù)所述的每個像素對應的輻射溫度值，用普朗克公式 廠I—IM(2,r)d exp(會)-1 以.，其中，Cl=3.741832X10% CnT2 y m4 為第一福射常數(shù)，C2=L 438786 X IO4 Um-K為第二輻射常數(shù)，T為目標的溫度，計算目標場景在紫外譜段的輻射出射度值； 步驟B4:根據(jù)公式M(i，j) = I(i, j) (Mmax-Mmin)/255+Mmin進行輻射值的灰度量化，其中，Mmin和Mmax分別為紅外圖像中最高溫度Tmax和最低溫度Tmin對應的輻射出射度，I (i, j)為紅外圖像的灰度值。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于輻射能量特性和光譜特性的紫外場景仿真方法，其特征在于，步驟C中所述圖像增強處理包括以下步驟: 步驟Cl:對初始紫外仿真圖像進行灰度歸一化處理； 步驟C2:采用基于直方圖分段變化的圖像非線性增強方法對所述灰度歸一化的紫外仿真圖像進行圖像增強； 步驟C3:進一步提高 圖像的清晰度及信噪比，并避免圖像過度增強。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于輻射能量特性和光譜特性的紫外場景仿真方法，其特征在于，所述灰度歸一化處理采用公式I’ = (1-1minV(Imax-1min)得到。
6.基于輻射能量特性和光譜特性的紫外場景仿真系統(tǒng)，其特征在于，包括: 紅外場景創(chuàng)建模塊，用于創(chuàng)建目標和背景的紅外場景仿真模型； 紫外仿真圖像反演模塊，與所述紅外場景創(chuàng)建模塊相連，根據(jù)輻射能量特性和光譜特性來推算仿真的目標和背景模型中每個像素對應的輻射溫度值，反演出目標場景的紫外仿真圖像； 紫外場景仿真圖像獲取模塊，與所述紫外仿真圖像反演模塊相連，對反演的紫外仿真圖像進行圖像增強處理，從而最終獲得實用的紫外場景仿真圖像。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于輻射能量特性和光譜特性的紫外場景仿真系統(tǒng)，其特征在于，所述紅外場景創(chuàng)建模塊包括:外觀輪廓建立模塊、著色模塊和動態(tài)場景仿真輻射圖像生成模塊； 所述外觀輪廓建立模塊，將多個三角形面元在可視化三維建模軟件上建立物體的外觀輪廓； 所述著色模塊，與所述外觀輪廓建立模塊相連，對所述外觀輪廓建立模塊中的每個三角形面元添加紋理和材質(zhì),并進行渲染著色； 所述動態(tài)場景仿真輻射圖像生成模塊，與所述著色模塊相連，讀取所述著色模塊中紋理和材質(zhì)的映射文件和大氣文件，根據(jù)輻射能量特性和光譜特性，利用輻射度計算公式計算場景中的紅外輻射強度，并將輻射強度量化為灰度值，從而生成紅外譜段動態(tài)場景仿真輻射圖像。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于輻射能量特性和光譜特性的紫外場景仿真系統(tǒng)，其特征在于，所述紫外仿真圖像反演模塊包括:輻射出射度與溫度的擬合模塊、輻射溫度計算模塊、輻射出射度計算模塊和灰度值計算模塊； 所述輻射出射度與溫度的擬合模塊，利用紅外熱像的灰度與輻射出射度的關(guān)系，結(jié)合普朗克黑體輻射公式，利用最小二乘擬合法擬合出輻射出射度與溫度的關(guān)系； 所述輻射溫度計算模塊，與所述輻射出射度與溫度的擬合模塊相連，根據(jù)所述輻射出射度與溫度的關(guān)系，利用艾肯特加速不動點迭代法推算出目標場景圖像中每個像素對應的輻射溫度值； 所述輻射出射度計算模塊，與所述輻射溫度計算模塊相連，根據(jù)所述輻射溫度計算模塊計算出的每個像素對應的輻射溫度值，用普朗克公式從計算目標場景在紫外譜段的輻射出射度值，其中，C1=3.741832X IO4W cm_2 Um4為第一輻射常數(shù)，C2=L 438786XlO4Um-K為第二輻射常數(shù)，T為目標的溫度； 所述灰度值計算模塊，與所述福射出射度計算模塊相連，根據(jù)公式M(i, j) = I (i, j)(Mmax-Mmin)/255+Mmin進行輻射值的灰度量化，其中，Mmin和Mmax分別為紅外圖像中最高溫度Tmax和最低溫度Tmin對應的輻射出射度，I (i, j)為紅外圖像的灰度值。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于輻射能量特性和光譜特性的紫外場景仿真系統(tǒng)，其特征在于，所述紫外場景仿真圖像獲取模塊包括:灰度歸一化處理模塊、圖像增強模塊和清晰度處理模塊； 所述灰度歸一化處理模塊，對初始紫外仿真圖像進行灰度歸一化處理； 所述圖像增強模塊，與所述灰度歸一化處理模塊相連，采用基于直方圖分段變化的圖像非線性增強方法對所述灰度歸一化處理模塊處理的紫外仿真圖像進行圖像增強； 所述清晰度處理模 塊，與所述圖像增強模塊相連，用于進一步提高所述圖像增強模塊處理后的圖像的清晰度及信噪比，并避免圖像過度增強。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于輻射能量特性和光譜特性的紫外場景仿真系統(tǒng)，其特征在于，所述灰度歸一化處理模塊包括灰度歸一化計算單元，所述灰度歸一化計算單元采用公式I’ = (1-1fflin)/(Ifflax-1fflin)計算得到灰度歸一化結(jié)果。
全文摘要
本發(fā)明適用于場景仿真技術(shù)領(lǐng)域，提供了基于輻射能量特性和光譜特性的紫外場景仿真方法，其特征在于，所述紫外場景仿真方法包括以下步驟步驟A創(chuàng)建目標和背景的紅外場景仿真模型;步驟B根據(jù)輻射能量特性和光譜特性，推算仿真的目標和背景模型中每個像素對應的輻射溫度值，反演出目標場景的紫外仿真圖像；步驟C對反演的紫外仿真圖像進行圖像增強處理，從而最終獲得實用的紫外場景仿真圖像。本發(fā)明所述的紫外場景仿真方法能夠進行不同氣候、復雜背景的高信噪比紫外仿真圖像，而且能夠進行目標和背景的圖像疊加，突出紫外探測背景干凈的優(yōu)勢，為紫外武器裝備系統(tǒng)設(shè)計和研制以及戰(zhàn)術(shù)技術(shù)的性能驗證提供仿真測試手段。
文檔編號G06T5/00GK103247069SQ201310180600
公開日2013年8月14日 申請日期2013年5月16日 優(yōu)先權(quán)日2013年5月16日
發(fā)明者韓順利, 胡為良, 張鵬 申請人:中國電子科技集團公司第四十一研究所