红外场景实时仿真-毕业设计(论文)外文资料翻译.doc

Before simulating infrared images, we should divide scenes into different parts based on their textures, and then map special texture to each part separately. In our system, the material library of famous infrared
simulation software VEGA is used, which includes 161 different textures. These textures are classified into twelve classes, such as metal, construction, and vegetation, etc. Textures in daily life are all included in this library, and each texture has properties like emissivity and reflectivity. this band mainly consists of scattering solar radiation.
In the band from 3um to 4um, radiation mostly comes
from the sky itself.
When transferring through the air, solar radiation is scattered by the air and this radiation is basically influenced by factors of observing elevation, solar elevation, atmosphere depth and cloud.
The radiation from sky itself always exists, and plays
an important role in sky radiation. It is usually influenced by the factor of meteorological condition,
ground environment temperature, observing elevation.
In the formula, τ1(λ), τ2(λ), and τ3(λ) stand for attenuation caused by molecule absorption, molecule scattering, and weather. Water vapor, which mainly
exists under 3 kilometers altitude, absorbs most infrared wave. Carbon dioxide is only 0.03~0.05% in
atmosphere, however, it is another important factor in absorption. Infrared wave in the air also scatters under the affection of molecule and particle. The scattering affected by molecule can be calculated through formula, but scattering affected by particle depends on weather condition. When frog, rain or snow comes, particles in these weather conditions have an effect on scattering
and lead to attenuation. Combining these factors, we get the attenuation ratio.
In this paper, we use LOWTRAN and MODTRAN
software to calculate the atmosphere attenuation ratio. LOWTRAN, developed by The United States Air Force
Earth Physics Laboratory, is used to calculate average
transmittance of and radiation brightness of low frequency spectrum resolution ratio system. The
software is compiled by FORTRAN and has advantages
of fast calculation and detailed results, but it is limited by its molecular spectral bands model; its accuracy will decrease in high altitude. For this reason, LOWTRAN
is usually used in calculating atmosphere attenuation in lower atmosphere. MODTRAN software improves
LOWTRAN spectral resolution from 20 cm-1 to 2 cm-1
. MODTRAN retains the model structure of
LOWTRAN, and can support high altitude condition.
Output of MODTRAN is also similar with that of LOWTRAN. Three parameter sets are important to MODTRAN: atmosphere model, aerosol model, and
particulate extinction
1) Atmosphere Model. Atmospheric spectral transmittance and radiance model requires adequate description of local thermal and environment constituent. A database consisting of realistic vertical
profiles for temperature and gas mixing ratios has been designed for such models. Its thermal structure is represented by a subset of the 1966 Atmospheric Supplements (tropical (15N), middle latitude (45N)
summer and winter, subarctic (60N) summer and winter) and the U.S. Standard Model Atmosphere, 1976. The accompanying volume mixing ratio profiles rely on current measurements and/or theoretical predictions.
2) Aerosol Models. The aerosol models built into
MODTRAN have been completely revised from the
earlier versions of the LOWTRAN code. Earlier
versions of LOWTRAN (earlier than LOWTRAN 5)
used the same model of aerosol composition and size distribution at all altitudes, simply changing the concentrations of the aerosols with height, which means that the wavelength dependence of the aerosol
extinction was independent of altitude.
3) Division of Atmosphere. The variation of the
aerosol optical properties with altitude is now modeled
by dividing the atmosphere into four height regions
each having a different type of aerosol. These regions are: boundary or mixing layer (0 to 2 km), the upper troposphere (2 to 10 km), the lower stratosphere (10 to 30 km), and the upper atmosphere (30 to 100 km).
4) Particulate Extinction. Particulate extinction
focuses on rain model. The rain model described in this section is chosen because it is able to relate the transmission over a given path to meteorological parameter. This parameter is the rain speed in mm/h, reported by worldwide weather stations every six hours. Set goals and detector of atmosphere background
radiation as B, set radiation emission emitted by target itself as E, and set transmittance as τ. Then we can get the radiation on infrared detector:
After passing through the atmosphere, infrared
radiation will reach the detector. The infrared radiation will be transferred into the grayscale image. When modeling the infrared detector, we should consider effective optical caliber, exposure time, quantum
efficiency, transmittance, charge/voltage transform coefficient, and normalized voltage. Then we could get
the radiation on focal plane, and then transfer it into the gray image. We assume the relationship of radiation
and gray level is linear [6] for simplicity.
外文文献译文 xxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxx
红外场景实时仿真
xxxxxx
Computer Science, Graduate School of Arts and Science, New York University, New York, NY, USA
Email:
摘要：一种实时红外视景仿真方法呈现。

首先，设计并完成的红外仿真系统。

第二，模拟红外图像，采用VAGE标准纹理库和计算气氛衰减效应。

最后，红外场景采用立体构造技术与实时的关键技术是漫游实现。

实验结果表明，该红外线
像我们的系统模拟与相对应的采取的红外照相机的红外图像，以及有效的方式构建的红外图像数据库目标区域被提供。

关键词：红外仿真;三维建模;纹理映射
一、引言
红外图像技术的仿真与捕获已经广泛应用在目标检测领域，精确制导等，考虑限制时间，气象条件，和图像的成本捕获，我们捕捉到的红外图像是很困难的所有的条件。

红外图像仿真技术可以来解决这些问题。

随着科技的发展，我们可以在不同情况获得更多的红外图像。

而且在某些特殊情况，我们需要一个实时红外图像仿
真。

例如，每秒30-100帧是需要一个预见仿真系统和100-400每帧二是有必要在导弹预测机制【1】。

目前，红外图像的基本流程模拟演示是：将场景图纹理，计算温度场，三维场景建模，计算衰减大气效应，和红外摄像机仿真。

最后，我们得到一个红外图像输入数据。

在模拟图像的灰度等级，某些纹理往往是一样的。

相当不同于现实中的灰度分布。

更重要的是，它通常需要超过一秒模拟一个单一的图像，这很难做到实时的处理。

为了提高真实的仿真结果需要满足在一定情况下的现实要求，我们提出了一个基于模拟的算法真实红外图像。

首先，我们生成一个红外具有一定的纹理图像（如草地，森林，或路）和红外图像数据库的建立；第二，我们使用AC3D建模工具来将纹理映射到三维物体的表面上，并设置目标区域的红外线的三维场景。

下面（图1）的图像是红外的流程图图像模拟和三维场景建模。

对于本文的其余部分，第二部分介绍了红外图像模拟。

所述三维建模列于第三节。

第四节的实验结果和第五节的图页。

图1.红外图像模拟工作流程和三维的
场景建模
二、红外图像的模拟
以生成红外模拟图像，就需要要做到以下几点：纹理映射，计算温度场，计算出辐射能量，计算衰减的气氛的影响，并产生灰度图像。

A.纹理映射
在模拟的红外图像，我们要分场景成基于它们的纹理不同的部分，和那么特殊的纹理分别映射到每个部分。

在我们的系统，红外著名的素材库仿真软件VEGA被使用，其中包括161不同的纹理。

这些纹理被分类可分成成12类，如金属，建筑，和植被等。

在日常生活中的纹理都被包括在这个库，以及每个纹理都有类似性质发射率和反射率。

该结构被示见图2。

图2.纹理库结构
B.温度场的计算
一定纹理的红外辐射取决于温度和表面辐射率。

其表面温度依赖于热平衡方程，所以我们需要先解决方程得到温度目标区域。

的热平衡方程是下面的[2]：
Qsun + Qsky = Qrad + Qcv + Qla (1)
在该方程式中：Qsun手段吸收的太阳短波辐射，Qsky代表吸收大气长波辐射，Qrad代表辐射发射，QCV代表对流热交换物质和环境之间，以及QLA代表材料和环境之间的潜热交换。

1）太阳辐射。

太阳是最大的红外辐射源的性质，并通常被认为是黑色的机身在6000开尔文。

其主要辐射专注于乐队从0.2um至3um。

该其辐射的分布示见下表1。

表1太阳辐射的分布
在此表中，我们可以得到波的百分比从3um至5um的是1.3％和波的百分比从以8um的是12UM0.11％。

在这些频段波在红外线仿真非常重要的。

2）天空辐射。

当符合上述任何目标地平线，天空将是背景。

在波段从在2um到3um，天空的辐射是由于其低温忽略。

辐射在这个频段主要由散射太阳辐射。

在从3um到4UM带，辐射大多是来自从天空本身。

当通过空气输送，太阳辐射是
散由空气和该辐射是基本上通过观察海拔，太阳能因素的影响高，深度大气和云。

天空辐射本身始终存在，在天空辐射表现具有重要作用。

它通常是受气象条件的影响因素，地面环境温度，海拔观察。

3）辐射发射。

基于史蒂芬 - 波兹曼法，任何物质的温度高于绝对零度会发出电磁波。

我们由史蒂芬 - 玻耳兹曼公式计算出的辐射，可见下面的公式。

B(T) = εσT4 (2)
B是一种物质与辐射值温度Tε是发射率，它是一个本质属性物质。

σ是斯蒂芬-玻尔兹曼常数，T是该物质的温度。

4）对流热。

它是由于流动的空气周围的物质，存在对流热。

它主要是通过对流的能量交换引起的，并由空气性能的影响，空气的温度，温度的物质的，风速度，并高度。

该值可以通过计算下面的公式表达：
H =ρCpCDμ(Ta –Ts) (3)
ρ表示空气密度。

Cp是空气的比热在一定的大气压。

μ是风的速度。

Ta为空气和TS的温度是物质的温度。

光盘拖动系数，并可以通过如下公式来计算。

CD = 0.002 + 0.006*z/5000 (4)
注：z是物质的高度
5）潜热。

由于流动的空气围绕该物质的表面上，水的表面上。

将不可避免地失去，随着变化的相位（如蒸发或冷凝），因此潜热交换他们之间会发生。

空气性能，温度空气，比湿，物质的温度的，风和高程影响潜热的速度交换。

它可以通过以下公式计算如下。

潜热=ρ·L·C·D*μ·Ws·(qa - qc) (5)
ρ是空气的密度。

L是水的潜热蒸发。

CD拖动系数。

WS是水表面内容。

QA是空气和质量控制的比湿是饱和的空气比湿。

水的蒸发潜热可以通过计算见下面的公式。

L = (597.3 – 0.555ta) ×4200 (6)
ta是空气温度
饱和空气的特定湿度可以计算由以下公式得出。

qs(T) = 0.622/[P/ea(T) – 0.378] (7)
P是在特定的高度和EA（T）大气压力是饱和的空气中的特定的蒸气压
温度。

空气比湿可以通过下面的公式计算得出
qa = rh ×qs(T) (8)
rh的是相对湿度和适量（T）是特定的湿度饱和的空气。

材料和之间的能量流环境包括物质吸收太阳能短波辐射，该材料吸收大气长波辐射，从材料的辐射，明显的热交换所造成的空气对流，并引起的蒸发隐性热交换。

温度场可以通过迭代方法来得到。

C.红外辐射
之后，目标场景的温度场计算，我们可以得到一个红外辐射不同的波段。

总的红外辐射由发射辐射和反射辐射。

计算辐射发射是基于温度现场，质地发射率，波段和普朗克公式。

反射辐射主要涉及太阳辐射和大气辐射。

D.大气衰减
从目标场景的红外辐射将通过大气外出时降低。

三个因素在这种衰减了关键作用：吸收受分子散射的影响气溶胶、原子和衰减受云，青蛙、雨、雪[3]。

其计算公式为：
τ(λ) =τ1(λ)*τ2(λ)* τ3(λ) (9)
在该式中，τ1（λ）τ2（λ），τ3（λ）代表衰减造成的分子吸收，分子散射，和天气。

水蒸汽，它主要在3公里高空存在，吸收大部分红外波。

二氧化碳含量只有0.03〜0.05％，但是，它是吸收的一个重要因素。

红外波在空气中还散落下分子和粒子的影响。

散射受分子可以通过公式来计算，但散射受颗粒取决于天气条件。

当青蛙，雨或雪来了，在颗粒这些天气条件对散射的效果并导致衰减。

组合这些因素，我们得到了衰减比。

在本文中，我们使用LOWTRAN和MODTRAN软件计算大气衰减比LOWTRAN，是美国空军开发的地球物理学实验室，用于计算平均低频频谱分辨率系统的透光率和辐射亮度。

该软件是由编译FORTRAN和具有优势快速计算和详细的结果，但它有它的分子光谱波段模型的限制;其准确度会降低在高海拔地区。

出于这个原因，
LOWTRANis通常用在低层大气中计算大气衰减。

MODTRAN软件改进20-1至2-1 LOWTRAN光谱分辨率[4]。

MODTRAN保留的模型结构
LOWTRAN，并能支持高海拔条件。

MODTRAN的输出也与类似LOWTRAN。

三种参数设定是很重要的MODTRAN：大气模型，气溶胶模型，颗粒的消光[5]。

1）大气模型。

大气光谱透光率和光泽模式需要充足局部热和环境的描述组成。

由现实垂直数据库对温度和气体混合比型材已专为此类机型。

它的散热结构由1966年大气的一个子集代表拾遗（热带（15N），中纬度（45N）夏季和冬季，亚寒带（60N）夏季和冬季）和美国标准模式大气，1976年伴随体积混合比型材靠电流测量和/或理论预测测得数据。

2）气溶胶模型。

气溶胶模型建成MODTRAN已经完全从修改早期版本的LOWTRAN 代码。

前LOWTRAN版本（早于5 LOWTRAN）使用气溶胶成分和大小相同的模型经销处所有高度，简单地改变同高度的气溶胶，这意味着浓度
该波长气溶胶的依赖性灭绝是与高度无关。

3）大气分类。

的变化气溶胶光学特性与海拔现在仿照通过将气氛成四个高度区域每一个都具有不同类型的气溶胶。

这些区域有：边界或混合层（0至2公里），上部对流层（2〜10公里），较低的平流层（10〜30公里），并且上层大气（30至100公里）。

4）颗粒消光。

颗粒属于雨模型。

在此描述的模型雨部分被选择，因为它是能够涉及的传输给定的路径，气象参数。

此参数是雨速度毫米/小时，可以报道世界各地气象站每六个小时。

设定目标和背景的氛围探测器由目标发出的辐射为B，设置辐射发射本身作为E，并设置透过率τ。

然后，我们可以得到对红外探测器的辐射：
D =
E * τ + B (10)
E.生成红外图像
穿过空气后，红外辐射将到达检测器。

的红外辐射将被转移到的灰度图像。

当造型红外探测器，我们应该考虑有效光口径，曝光时间，量子效率高，透光率，电荷/电压转换系数和归一化的电压。

然后，我们可以得到辐射对焦平面，然后将其传送到灰度图像。

我们假设辐射的关系和灰度级线性[6]为简单起见。

在该方法中，找
出最大和最小值的辐射，设置为最大尿流率和Qmin的。

接下来，确定的最大和最小灰度值图像，并将它们设置为GMAX与GMIN。

因此，我们可以得到范围的红外辐射：r = (Qmax - Qmin)/( Gmax - Gmin) (11)
如果辐射量为Q，灰度级为：
G = (Q - Qmin)/r + Gmin （12）
三三维建模
由于在红外场景改变的条件品种繁多，我们应该建立的红外图像数据库实时仿真。

我们使用关系根据他们的材料数据库和分类纹理型，红外波段和气象条件。

根据我们建立的数据库，并使用轻量级3D建模软件，我们可以映射红外图像到3D模型如下：
图3 建立3D模型
从数据库中获取的红外图像，图像有建筑物，公路，和水，如图4所示。

图4. 三种材料的红外图像
地图红外图像场景中的3D模型。

在这个实验，我分了现场成不同区和施加纹理映射到它们。

该效果示于图5。

图5.红外模拟场景
根据所获得的红外场景，我们使用开源软件OSG管理大场面和整理各种文件，预测模型，数据字段，和数据的准确性打造全景3D场景。

四实验结果
红外场景的实时仿真是在开发Windows平台上，使用Visual Studio2005年，可以在计算机与酷睿i3 GHz的上跑得快CPU，2G内部存储，以及一块GeForce GTS250图形卡。

在该实验中，我建立了三维机场的红外线景象。

在这个机场，有的建筑物，飞机和坦克的数字，并有还林，草，河流。

首先，我们模拟纹理的红外图像，它被列入了这一幕（如金属，水，草，擦洗等）。

这些红外图像作为组织中使用sqlite3数据库。

然后，用手工wemapped这些图像到某些对象。

一些对象，如道路和河流，为简单的图片，但那些拥有更多的细节花了很长时间来图，如飞机，和罐。

最后，我们建立了整个场景AC3D工具，管理和运用场景OSG软件。

结果示于图6中。

图6 实验结果
左侧的图像是一个鸟瞰图图整个场景，中间是一架飞机的景色，跑道，以及正确的是坦克的景色，建筑物。

正如我们在图片中看到，红外场景对应到实际的红外图像和可从不同的角度观察。

五总结
本文提出的实时红外视景仿真的方法。

我们讨论流红外仿真，建立红外图像数据库，红外图像映射到3D场景，并生成实时3D红外场景。

该实验证实，该项目是可行的和有效的。

在接下来的步骤中，我将集中于自动图像和纹理映射的分界线。

我会继续在模拟噪声的影响进行研究，因为这些都会让模拟图像更现实的。

【参考文献】
[1] J. S. Sanders. “Utilization of DIRSIG in support of real-time infrared scene generation,” Proceedings of the SPIE, 2000, pp.278-285.
[2] W. Yu, H. Tu, and Q. Pen. “Computer simu lations of infrared image for high speed objects,” Journal of System Simulation, vol. 12, pp. 560-564, September 2000.
[3] C. Salvaggio. “Multispectral synthetic scene generation using atmospheric propagation and thermodynamic models,” Ph.D. thesis, State University of New York, 1994.
[4] M. Hana, J. Chang, Y. Haob, T. Zhang, and F. Yu, “Simulation of atmospheric brightness distributions from a visible Earth sensor using MODTRAN4,” Proceedings of the International Conference on Optical Instruments and Technology, 2009, vol. 7513.
[5] Modtran4 User’s Manual, February 2003.
[6] M. A. Richardson. “Low-cost PC-based high fidelity infrared signature modeling and simulation,” Ph.D. thesis, Cranfield University, 2007.。