基于JRM的戰場環境紅外圖像實時生成

鐘國靂，廖守億，楊薪潔

（火箭軍工程大學 精確制導仿真技術實驗室，陜西 西安 710025）

0 引言

在精確制導領域，紅外成像技術被認為是當前最有效的制導手段之一[1]。在紅外制導武器的測試與評估過程中，若采用實物、靶場實驗，雖然環境真實、測試全面，但所需人力物力財力消耗巨大、試驗周期長，同時實驗環境相對單一，難以構建滿足要求的各種復雜戰場環境。因此采用半實物仿真實驗來代替實物實驗，雖然無法完全再現真實狀態，但其可在實驗室環境下任意模擬多種實驗環境，具有成本低、試驗風險小、測試周期短等優點[2-3]。紅外成像目標仿真系統是半實物仿真系統的重要組成部分之一，其包含兩部分核心技術：一是紅外圖像實時生成技術；二是紅外圖像實時投射技術。其中，紅外圖像實時生成技術是紅外成像目標仿真系統乃至整個半實物仿真系統的基礎，為半實物仿真試驗提供圖像數據源。

早在20 世紀80年代，國外軍事強國就已開展了對紅外圖像仿真相關技術的研究，開發出一系列內嵌紅外場景合成模塊的專業視景仿真軟件，如JRM、Vega[4]、Vega Prime[5]、SE-Workbench[6]等。國內在該領域的研究起步較晚，目前主要形成了3類紅外圖像生成技術[7-9]：第一類是通過建立基本的溫度預測模型來預測目標溫度分布，并通過求解紅外輻射方程來生成紅外輻射圖形，該方法生成圖像分辨率、準確性較高，但是計算過程耗時，實時性不高；第2 類是基于實測數據再結合理論的方法，這種方法克服了第一種方法計算量大的缺點，簡化了理論模型，但其靈活性較差；第3 類是在國外仿真平臺的基礎上進行二次開發以完成相應需求的紅外仿真，這種方式具有可信度高、技術成熟、靈活性強、開發周期短等優點，但各大仿真平臺的使用版權很昂貴，且部分關鍵模塊對國內禁用。

近些年來，在紅外圖像實時投射技術方面，國產電阻陣列的制作工藝不斷突破，其分辨率、像素有效率、幀頻、均勻性等指標不斷提高，這也對紅外圖像實時生成技術提出了更高的要求。因此，為了充分利用新一代512×512 元MOS 電阻陣列的優越性能，針對復雜戰場環境與導引頭視場范圍要求，介紹了一種基于JRM的戰場環境紅外圖像實時生成技術，并依據相關實驗，按需求實現了高質量且逼真的紅外導引頭視場圖像生成。

1 仿真需求分析

1.1 紅外成像目標仿真系統

紅外成像目標仿真系統主要負責接收彈目運動參數，實時生成導引頭瞬時視場內的戰場環境紅外圖像，并通過驅動控制系統驅動電阻陣列將圖像投射至導引頭的入瞳處。如圖1所示，戰場環境紅外圖像實時生成系統（虛線框內部分）與電阻陣列及其驅動控制系統通過數據實時傳輸網絡相連接，構成了紅外成像目標仿真系統的主體部分，系統的輸入為彈目運動參數、目標與背景的三維模型及其紅外輻射特性，輸出為導引頭視場內真實的二維紅外熱圖像。為確保系統的協調運行，對圖像生成系統的指標要求應同于對電阻陣列驅動控制系統的指標要求，即充分發揮新一代電阻陣列的性能優勢：圖像刷新率可達200 Hz 以上；分辨率為512×512；單個像元灰度等級不小于16 bit。

圖1 紅外成像目標仿真系統功能設計框圖Fig.1 Functional design block diagram of infrared imaging target simulation system

1.2 戰場環境紅外輻射特性分析

戰場環境紅外輻射特性一方面受目標與地物背景的幾何特性、物理材質特性所影響，另一方面還與大氣狀況、天氣、時間、戰場火焰、揚塵等外部環境條件密切關聯。為可靠地進行戰場環境紅外圖像仿真，需要從紅外成像機理出發，綜合考慮各種內外部條件以及復雜的傳熱換熱過程，對場景熱系統進行完整建模。

場景內熱量傳遞示意圖如圖2所示。到達探測器成像面上各點的總輻射為目標熱輻射、地物背景熱輻射、日月直接輻射、日月在目標表面的反射、日月在地物背景的反射、大氣傳輸路徑上的輻射與散射、大氣衰減等與探測器光譜響應共同作用的結果。因此，戰場環境紅外輻射特性建模主要可分為目標的紅外輻射建模、地物背景的紅外輻射建模、環境特性建模以及傳感器建模4 部分。

圖2 場景內熱量傳遞示意圖Fig.2 Schematic diagram of heat transfer in the scene

2 基于JRM的戰場環境紅外圖像仿真原理與方法

2.1 JRM 傳感器建模與仿真工具

JRM 是一套基于物理模型并結合實驗室和現場實測數據的傳感器建模和仿真工具，支持可見光、夜視、紅外、雷達、紫外等傳感器的建模與仿真，它以Excel 表的方式進行數據組織，相較于其他數據組織模式具有更高的實時性[10]。在紅外波段，其利用以下公式計算目標及場景的紅外輻射：

式中：Lobserver為到達觀測點的總輻射亮度；Lthermal為與場景物體同溫度的黑體輻射亮度；Lreflect為物體的表面反射周圍的輻射亮度；ε為物體材質的發射率；τpath為大氣透過率；Lpath為大氣路徑程輻射。

公式囊括了物體表面自身發射的熱輻射能量（由物體表面溫度、發射率決定）；太陽等光源入射的熱輻射和環境背景散射熱輻射的反射輻射；大氣路徑發射的熱輻射，決定了本仿真設計在求解熱輻射方面具備很高的可信度。

JRM 主要包含 5 個模塊：JRM 材質庫、GenesisMC（Genesis material classifier）材質分類工具、SigSim（Signature simulation）場景特性計算工具、SenSim（Sensor simulation）傳感器建模工具、OSV（Open scene graph viewer）三維渲染引擎。利用JRM 生成紅外圖像的總體方案如圖3所示。

圖3 基于JRM 的紅外圖像生成總體方案Fig.3 Overall scheme of infrared image generation based on JRM

首先，構建目標與背景的三維模型。然后，利用GenesisMC工具和材質庫對目標與背景的物理材質特性與熱源進行建模；利用SigSim 工具對目標與背景的紅外熱特性、大氣傳輸效應、環境特性進行建模；利用SenSim 工具對傳感器特性進行建模。最后，使用OSV 工具實時渲染生成紅外圖像。

2.2 基于3DS MAX 的目標/背景三維建模

仿真場景中的目標/背景三維模型采用 3DS MAX 三維建模軟件進行建模，根據真實目標/背景的三維幾何尺寸建模生成.flt 格式的模型數據文件。所構建的三維模型是由若干多邊形面片組成，面片的數量越多，目標模型越逼真，相應的實時圖像生成時對顯卡的要求就越高，有可能超出顯卡的處理能力，達不到規定的幀頻。因此，在建立幾何模型時，應盡量在不影響模型逼真度的前提下減少面片數量。同時，物體表面每個面片的輻射亮度與其溫度、材質種類及其表面粗糙度有關[11]，在建模時應明確模型紋理與模型面片之間的對應關系，為材質分類工作提供參考。

考慮到導引頭的視場范圍，要求仿真背景區域較大，一般在公里量級，可結合實際地形的高程數據和衛星影像數據，實現大場景地形仿真。利用Global Mapper 獲取目標地區30 m 分辨率的地形高程數據，在不同分辨率的衛星圖片數據精度下可通過插值得到更高精度的高程數據，再配以高清衛星貼圖，形成比較真實的地形，最后按照影像圖在合適的位置賦予道路貼圖，放入建筑物、樹木等模型。

2.3 基于GenesisMC 的物理材質特性與熱源建模

物理材質特性建模是指從圖像中確定模型表面的材質組成，在每一個像素點上賦予一種或多種材料，以形成一個材質紅外屬性映射文件，反映物體表面各個像素點所代表材質的紅外發射率、反射率、吸收率等特性，從而建立起目標表面紅外材質特性與目標幾何形狀的對應關系。

首先，將紋理圖導入GenesisMC，通過手動或自動對各類材質設定掩膜區域。然后，從材質庫選擇材質文件，為紋理圖每一類掩膜賦予相應的材質物理屬性。最后，生成.ms 文件與Emat 文件，其中.ms文件是對模型紋理貼圖所賦予的所有材質文件的集合；Emat 文件為材質類型標記圖，是一個3 通道文件，反映像素與材質之間的對應關系。

GenesisMC 工具能夠以半自動方式對場景中物體表面的材質進行劃分，工具支持Tiff、RGB 和JPG等格式圖像，JRM 材質庫帶有超過300 種材質，包括典型的建筑材料、多種巖石、多種金屬、植被和水等。

對于飛機、坦克、導彈等動目標來說，自身還具備如發動機、尾噴管等熱源，因此需手動設置相應的動態熱區域，并根據經驗或實測數據設定該區域的溫度和邊界（即注明動態熱區域擴散的范圍）。

2.4 基于SigSim 的場景紅外特性建模

利用SigSim 工具對目標及背景的紅外特性進行實時計算和更新，是仿真中較為核心的一部分。為了得到更逼真的紅外輻射特性計算結果，除了目標與背景的物理材質特性、熱源參數之外，還需考慮視點的方位、場景所處的時間、天氣條件、太陽或月亮的位置等因素。SigSim 工具可實現天空、天氣、云層、太陽、月亮、星空等環境背景的模擬，并且可以設置仿真日期與時間以模擬太陽等星體對地、對目標的照射角度和強度，從而模擬其對目標場景紅外輻射能量的影響。

對于火焰、煙霧、揚塵、尾焰等戰場特效，SigSim工具提供了基于粒子系統和材質文件構建的特效建模庫，可方便地仿真出各種隨機性強且外形不規則的干擾特效。針對不同特效類型，需要建立或配置不同的粒子系統形狀文件。以煙霧為例，需設置的物理參數包括特效類型、粒子種類、煙霧濃度、溫度和風速等，使用這些數據在渲染層構建粒子特效，并且這些特效的流場特性參數是可調整的。

此外，大氣會對目標與背景的輻射傳輸有兩方面影響：一是大氣自身輻射會附著在目標與地物背景的本征輻射中使探測器接收的能量有所增加；二是大氣透過率對目標與地物背景的本征輻射有一定的衰減作用。SigSim 工具集成了Modtran4.0 模型，能夠根據所設置的大氣模型、氣溶膠模型、風速、雨量、溫濕度等參數準確計算100 km 范圍內的大氣傳輸特性，包括大氣透過率、大氣路徑輻射、大氣散射系數等。

2.5 基于SenSim 的傳感器建模

除了模擬紅外輻射達到視點的紅外視覺效果外，對紅外傳感器的模擬更是能進一步提高所仿真圖像的逼真度。紅外熱成像過程為：紅外輻射經過光學系統，將其聚焦到探測器表面，探測器通過光電轉換輸出電信號再轉換為灰度值顯示輸出。因此傳感器最終輸出的圖像為場景真實紅外圖像疊加傳感器光學系統、探測器、電子線路以及傳感器噪聲、模糊和濾波等效應的結果。SenSim 工具是一個先進的光電傳感器建模和傳感器效應實時仿真工具，支持傳感器光學、探測器、電子學參數配置，具體如圖4所示，以及對紅外傳感器的噪聲、運動模糊、平臺抖動等效應的模擬，實現傳感器的精確建模。

圖4 傳感器參數Fig.4 Sensor parameters

2.6 基于OSV 的場景合成與渲染

動態紅外場景模型建立的前提條件是能夠考慮目標、環境、傳感器之間的成像關聯作用效應。OSV是一種基于OSG 的渲染器，具有SigSim 和SenSim接口，利用OSV 渲染引擎，將目標/場景特性計算結果、環境大氣傳輸特性計算結果和傳感器效果仿真影響關聯，生成光學紅外圖像序列。工作流程為：導入目標/場景（包括干擾特效）模型，加載傳感器、場景環境信息、大氣和天氣條件，調用SigSim 和SenSim 計算引擎，通過OSV 在GPU 中進行場景的合成、更新和渲染。利用GPU 硬件加速功能，提供高幀頻、高質量的圖像數據輸出。整個仿真過程中的信息流轉如圖5所示，傳感器與目標的運動由彈目信息所驅動。

圖5 信息流轉圖Fig.5 Information flow diagram

3 紅外圖像生成及結果分析

根據上述技術路線，在Dell T7920 圖形工作站上進行戰場環境紅外仿真實驗，工作站的性能參數為：操作系統Windows7 64 位；CPU 兩顆Intel Xeon Gold5218 32 核2.3 GHz；顯卡NVIDIA Quadro RTX 6000；內存128 G。

某型坦克目標與某機場背景建模實例如圖6所示。利用GenesisMC 工具進行物理材質特性建模與目標熱源建模，如圖7所示，(a)與(b)中(1)分別為目標紋理圖與地形遙感圖，其余為所生成目標與背景的Emat 材質類型標記圖。

圖7 物理材質特性建模Fig.7 Modeling physical material properties

對紅外制導武器而言，“復雜環境”即云、雨、雪、霧、火焰、揚塵、煙幕等會對其探測性能造成極大影響的自然因素或人為干擾。在前文已建立的目標與背景基礎上對上述復雜環境在中波紅外波段進行了仿真，基本環境參數設置如表1所示，并設置傳感器帶有輕微噪聲、增益和電平效果。輸出圖像分辨率為512×512，單個像元灰度等級為20 bit，如圖8所示，左圖為不添加傳感器效果，右圖為添加傳感器效果。

表1 基本環境參數設置Table 1 Basic environment parameter settings

圖8 各類干擾環境仿真Fig.8 Simulation of various types of interference environment

從(a)圖可以觀察到，水泥地表、沙土、建筑物具有不同的紅外特征，這是由于三者材質的比熱、密度、導熱系數等熱物性不同而引起的差異；圖(g)中坦克尾部、車輪與履帶的輻射亮度均高于其余部位，這是由于在建模過程中，根據尾部引擎的發熱以及車輪和履帶受到的摩擦和應力作用，對這兩處分別設置了熱源；再對比(b)、(c)兩圖，雨與雪都是由水分子構成，但由于雨的溫度高于雪，因此雨的紅外特征更為明顯；由圖(d)、(e)還可看出，霧與云層對導引頭探測性能的干擾也是極強的，二者通過改變大氣傳輸特性，使大氣對輻射的吸收和散射作用增強，從而減少了沿原方向傳播的輻射能；最后由圖(f)、(g)可觀察到，火焰、煙幕、揚塵能有效遮擋其背后區域，干擾紅外導引頭對目標的識別，其干擾機理主要為：火焰及其煙霧自身高紅外輻射能掩蓋目標輻射或降低目標與背景的對比度、煙幕釋放會形成大量的氣溶膠微粒以改變紅外輻射的傳輸特性、揚塵可對目標起到遮蔽的作用。綜上所述，仿真實驗所呈現的結果反映出紅外輻射特性的各類關鍵影響因素，如材質、內熱源、大氣傳輸特性以及氣象條件等，與實際情況相符。

截圖時刻各場景的渲染幀頻（實際幀頻隨時間在此值附近波動）整理如表2所示，均能達到100 Hz以上，滿足實時性要求。此外，由表2 可知，對傳感器效果的模擬雖然能更逼真地仿真出紅外傳感器的實際成像效果，但降低了圖像渲染的速率；對不同的干擾環境進行模擬，也會對實時性帶來不同的影響。

對于一般的仿真結果來說，逼真度是人們首要考慮的問題，但在半實物仿真系統中，紅外圖像的生成只有在保證實時性的前提下，才能盡可能保證其逼真性。因此，在實際應用時可根據具體需求，在滿足實時性且不違背客觀規律的前提下，選取一種或幾種干擾進行仿真場景的搭建，并根據圖像實際渲染的幀頻來對場景內模型的數量或模型多邊形的數量進行調整。如圖9所示為搭建的云雪天氣、火焰煙霧場景，此視角下的場景渲染幀頻為128 Hz。

圖9 場景搭建Fig.9 The construction of the scene

4 結語

本文綜合考慮以新一代電阻陣列作為投射器件的紅外成像目標仿真系統，針對其圖像數據需求，基于JRM 對復雜戰場環境的紅外圖像實時生成技術進行了研究，提出了詳細的方案路線，進行了仿真實驗。實驗結果以及相關定性分析表明，該方案具有一定的可靠性，且滿足實時性要求，能夠在實驗室環境下提供具有不同地物背景、不同打擊目標、不同干擾環境的紅外圖像，用以對紅外成像制導武器的性能進行靈活且快速地測試評估。但是，文中未對所生成紅外圖像的效果進行定量評價，其逼真性和有效性還需要通過實驗來進一步驗證，這也是下一步主要開展的工作。