基于GPU编程的红外反射特性仿真方法技术

本发明专利技术公开了一种基于GPU编程的红外反射特性仿真方法，主要解决现P有技术存在的反射效应仿真的物理真实感不高，实时性差的不足。其实现过程是：获得后缀为DDS的太阳直射辐射纹理D、天空背景辐射纹理S、大气路径辐射纹理L和大气透过率纹理T；获得计算BRDF需要的材质参数M；利用材质参数M，根据简化的Schlick?BRDF反射模型，计算不同像素点对太阳直射辐射的反射量E1和对天空背景辐射的反射量E2；将DDS纹理写入材质脚本的纹理单元中，生成能仿真红外反射效应的材质脚本，并通过GPU完成对材质脚本的解析和编译并载入显存中；运行这些脚本程序，实时模拟红外反射效应。本发明专利技术具有仿真真实感强、实时性高等优点，可应用于红外成像系统的研发、测试与评估。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于计算机仿真
，具体涉及红外反射特性仿真方法，可用于红外成像系统的研发、测试与评估。
技术介绍
在军事领域，需要大量不同时刻、不同天气条件、不同波段下的红外图像进行实验测试。红外图像的获取主要有两种方法一种是通过各种热成像仪器对不同地域、不同环境进行实测得到，但这需要大量的人力和物力，且受地理环境、气候条件等因素影响较大，实 现起来比较困难；另一种方法是通过红外场景仿真技术，对不同时刻、季节、天气和地域的场景进行仿真，输出模拟的红外图像。红外场景仿真方法能有效克服时间、环境、地域的限制，降低成本，缩短红外武器系统研发周期，提高红外成像系统设计、测试评估和应用的效率，因而具有重要的研究意义。目前红外场景仿真技术已经建立起了目标、背景、大气以及红外成像系统的综合模型，国内外也开发出不少仿真软件。然而大多数软件只考虑了目标的自身辐射特性，很少将目标对环境的反射效应集成到仿真中。没有反射效应的红外场景，且细节不丰富，与背景环境相脱离，严重地影响了真实感。于是，在仿真系统中添加目标对环境辐射的反射成了一个重要的部分。在目标对环境背景的反射效应研究与仿真方面，吴英等在哈尔滨理工大学学报上发表的“空间目标的可见光散射特性建模与仿真研究”中，针对空间目标的散射特性进行了建模和仿真，但只停留在可见光波段；梁欢在“地面背景的红外辐射特性计算及红外景象生成”中，在研究地面背景的红外辐射特性时，考虑了其对太阳和天空背景的反射，并生成了红外图像，但其仿真比较粗糙，不具有动态性和实时性；黎建军“基于实测数据的目标红外图像仿真”中，在做基于测量数据的目标红外图像仿真过程中，也考虑到了目标对太阳和天空背景辐射的反射，但只是简单的镜面反射与漫反射的叠加，不具有物理真实性。可以看出，国内关于目标对环境的反射效应仿真还比较粗糙，没有将精细的反射模型集成到仿真系统中。对目标光散射特性的研究有的停留在可见光波段，有的虽然引用了一些BRDF模型，但并没有建立起适合高速仿真的反射模型。影响了红外场景的物理真实感，达不到仿真的实时性要求，进而影响红外成像系统设计、测试评估和应用的效率。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种基于GPU编程的红外反射特性仿真方法，以提高红外场景仿真的真实感，满足仿真的实时性要求，进而提高红外成像系统设计、测试评估和应用的效率。实现本专利技术目的的技术原理是以Schlick BRDF反射模型为基础，计算出目标对背景辐射的反射量，并利用顶点程序和片段程序，将反射模型集成到仿真的场景中，实时模拟红外反射效应。其实现方案包括如下步骤(I)用大气辐射传输计算软件Atmosphere获得后缀为压缩纹理图像格式DDS的太阳直射辐射纹理D、天空背景辐射纹理S、大气路径辐射纹理L和大气透过率纹理T ；(2)通过实验或测量仪器测量，获得计算BRDF需要的所有材质参数M ；(3)利用材质参数M，根据简化的Schlick BRDF反射模型，计算不同角度下不同像素点对太阳直射辐射的反射量E1 ；(4)利用材质参数M，根据简化的Schlick BRDF反射模型，计算不同角度下不同像素点对天空背景辐射的反射量E2 ；(5)利用图形编程语言Cg将太阳直射辐射纹理D、天空背景辐射纹理S、大气路径辐射纹理L、大气透过率纹理T写入材质脚本的纹理单元中，在片段程序中利用太阳直射辐射的反射量E1和天空背景辐射的反射量E2,生成能仿真红外反射效应的材质脚本； (6)通过可编程图形处理单元GPU完成材质脚本的解析和编译并载入显存中，形成可编程图形处理单元GPU的执行代码，利用这些代码实时模拟红外反射效应。本专利技术与现有技术相比，具有如下显著优点I)本专利技术综合考虑目标对环境辐射的反射特性，用简化的Schlick BRDF反射模型计算目标对环境辐射的反射量，并将这些反射量集成到红外场景仿真中，物理真实性更闻;2)本专利技术通过将预计算的纹理写入材质脚本，并利用GPU完成材质脚本的解析，仿真时GPU并行处理这些材质脚本，满足仿真的实时性要求。附图说明图I为本专利技术的总流程图；图2为本专利技术生成的太阳直射辐照度纹理R通道量化图；图3为本专利技术生成的天空背景辐射亮度纹理R通道量化图；图4为本专利技术生成的天空背景辐射亮度积分预计算纹理R通道量化图5为本专利技术生成的原始地貌场景仿真图6为本专利技术生成的添加反射效应的地貌场景仿真图。具体实施例方式参照图I，本专利技术的具体实施过程如下步骤I,获得后缀为DDS的太阳直射辐射纹理D、天空背景辐射纹理S、大气路径辐射纹理L和大气透过率纹理T Ia)在天顶角(Γ90度范围内，海拔(T5km范围内用大气辐射传输计算软件Atmosphere计算每个点的太阳直射辐照度,获得太阳直射辐射纹理D，如图2所示；Ib)在天顶角(Γ90度范围内，海拔(T5km范围内用大气辐射传输计算软件Atmosphere计算每个点的天空背景辐照度，获得天空背景辐射纹理S，如图3所示；Ic)在物体海拔(T500m范围内，场景与物体之间的距离(T25km范围内，场景对物体的天顶角0 180度范围内，用大气福射传输计算软件Atmosphere计算大气路径福射亮度，获得大气路径辐射纹理L ；Id)在物体海拔(T500m范围内，场景与物体之间的距离(T25km范围内，场景对物体的天顶角(Γ180度范围内，用大气福射传输计算软件Atmosphere计算大气透过率,获得大气透过率纹理T。步骤2，获得计算BRDF需要的所有材质参数M 2a)通过实验或测量仪器测量，确定材质的波段反射率、粗糙因子r和各向同性因子P这些不同类型材质的参数；2b)将用到的材质类型按编号定义，如表I所示表I材质编号定义权利要求1.一种基于GPU编程的红外反射特性仿真方法，包括如下步骤 (1)用大气辐射传输计算软件Atmosphere获得后缀为压缩纹理图像格式DDS的太阳直射辐射纹理D、天空背景辐射纹理S、大气路径辐射纹理L和大气透过率纹理T ； (2)通过实验或測量 仪器测量，获得计算BRDF需要的所有材质參数M； (3)利用材质參数M，根据简化 的SchlickBRDF反射模型，计算不同角度下不同像素点对太阳直射辐射的反射量E1; (4)利用材质參数M，根据简化的SchlickBRDF反射模型，计算不同角度下不同像素点对天空背景辐射的反射量E2; (5)利用图形编程语言Cg将太阳直射辐射纹理D、天空背景辐射纹理S、大气路径辐射纹理L、大气透过率纹理T写入材质脚本的纹理单元中，在片段程序中利用太阳直射辐射的反射量E1和天空背景辐射的反射量E2,生成能仿真红外反射效应的材质脚本； (6)通过可编程图形处理单元GPU完成材质脚本的解析和编译并载入显存中，形成可编程图形处理单元GPU的执行代码，利用这些代码实时模拟红外反射效应。2.根据权利要求I所述的红外反射特性仿真方法，其中步骤(2)所述的通过实验或测量仪器测量，获得计算BRDF需要的所有材质參数M，按照如下步骤进行 2a)通过实验或測量仪器测量，确定材质的波段反射率、粗糙因子r和各向同性因子P这些不同类型材质的參数，并将这些不同类型材质的參数存储成ー张DDS格式的ニ维纹理； .2b)根据物体的材质类型，对ニ维纹理进行采本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于GPU编程的红外反射特性仿真方法，包括如下步骤：（1）用大气辐射传输计算软件Atmosphere获得后缀为压缩纹理图像格式DDS的太阳直射辐射纹理D、天空背景辐射纹理S、大气路径辐射纹理L和大气透过率纹理T；（2）通过实验或测量仪器测量，获得计算BRDF需要的所有材质参数M；（3）利用材质参数M，根据简化的Schlick？BRDF反射模型，计算不同角度下不同像素点对太阳直射辐射的反射量E1；（4）利用材质参数M，根据简化的Schlick？BRDF反射模型，计算不同角度下不同像素点对天空背景辐射的反射量E2；（5）利用图形编程语言Cg将太阳直射辐射纹理D、天空背景辐射纹理S、大气路径辐射纹理L、大气透过率纹理T写入材质脚本的纹理单元中，在片段程序中利用太阳直射辐射的反射量E1和天空背景辐射的反射量E2，生成能仿真红外反射效应的材质脚本；（6）通过可编程图形处理单元GPU完成材质脚本的解析和编译并载入显存中，形成可编程图形处理单元GPU的执行代码，利用这些代码实时模拟红外反射效应。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：黄曦，张建奇，杨倩，刘德连，何国经，王晓蕊，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：