基于可见光图像的红外场景仿真
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temperature balance model
根据热平衡建立以下守恒方程：
Ei+Eg-Eo=Es
(4)
式 中 ：Ei 为 单 位 时 间 内 进 入 控 制 体 的 能 量 ；Eg 为 控 制
图 5 红外热像仪的探测示意图 Fig.5 Schematic representation of the general thermographic
（The Second Artillery Engineering Institute, Xi ′an 710025, China）
Abstract: Aiming at the exigent request of the scene matching system to IR image, a method of IR image simulation based on visual image was proposed. Firstly, the overall project design of IR image simulation was given; secondly, several key technologies, such as material classification based on visual image, temperature model establishment of object surface, IR characteristic image production, were realized; finally, the IR scene image sequence of typical power objcet was produced with the algorithm of IR scene simulation. The experimental result shows there is consistent change rule between IR image sequence produced and actual photography IR image. Consequently, an effective approach of preparing IR reference image from visual image is supplied.
太阳辐射可以表示为：
Wsun =CCF·(Wp,b +Wp,d +Wp,ρ )
(1)
式 中 ：Wp,b 为 太 阳 直 射 ；Wp,d 为 太 阳 散 射 ；Wp,ρ 为 地 面
太 阳 反 射 辐 射 ；CCF 为 云 遮 因 子 。
环境温度即空气温度，具有逐日、逐年周期性变化
的特性。 一天的空气温度具有二阶傅里叶变化的趋势：
C4ISR 系 统 与 计 算 机 仿 真 ， 虚 拟 现 实 技 术 。 Email ：manan119577@sohu.com
24
红外与激光工程
第 38 卷
法，所生成的红外特征图像可以作为基准图进行景象 匹配末制导。
1 红外场景仿真总体方案
红外场景仿真总体流程如图 1 所示。 首先导入可 见光图像，对图像进行灰度转换、大小调整等预处理，
目标的红外特性主要表现在对外界辐射能量的 大 小 ， 由 公 式 W=σT 4 可 知 ， 其 辐 射 能 量 的 大 小 取 决 于温度，因实际的目标背景处于自然环境中，气象条 件是影响目标背景温度的关键因素，而有些参数无法 实地实时测量，应该建立影响其红外特性（温度）参数 的模型。 2.2.1 影响目标温度的气象因素
物体的温度主要受自身材质，太阳辐射以及背景 辐射的影响，对于自然条件下的物体，其温度平衡模 型如图 4 所示。
体 自 身 在 单 位 时 间 内 所 释 放 的 能 量 ；Eo 为 单 位 时 间 内
离 开 控 制 体 的 能 量 ；Es 为 控 制 体 内 贮 存 能 量 的 变 化 。
公 式(4)表 明 ：热 能 和 机 械 能 进 入 控 制 体 的 速 率 与 能
Φv 为微元单位体积的发热功率。
对于指挥中心外壁、 远景油罐等目标， 其长度
（ 高 度 ） 和 宽 度 是 厚 度 的 10 倍 以 上 ， 可 以 按 一 维 进 行
处理。 对于无内热源的一维非稳态导热 ，公式(5)可
简化为：
2
ρc=
坠T 坠τ
=k 坠
T
2
坠x
(6)
而对于近景烟囱、冷却塔、油罐等目标，白天其
图像分类处理技术的一般过程为图像预处理、图 像信息提取、特征选择、设计与实现。 本研究的目的是 将图像中不同的材质尤其是目标分割出来，对其进行 红外场景仿真得到红外图像。 在图像分类处理中综合 考虑了图像的纹理信息，采用自动和手动相结合的方
图 3 多值图 Fig.3 Multiple蛳valued image
提出了一种利用可见光图像仿真红外场景的方
收 稿 日 期 ：2008-05-10 ； 修 订 日 期 ：2008-06-23 基金项目：国防“十一五”预研项目 作 者 简 介 ： 陈 珊 (1981-) ， 男 ， 浙 江 丽 水 人 ， 博 士 ， 研 究 方 向 为 计 算 机 仿 真 与 虚 拟 现 实 技 术 。 Email ：chenshan1223@126.com 导 师 简 介 ： 孙 继 银 (1952-) ， 男 ， 山 东 单 县 人 ， 教 授 ， 博 士 生 导 师 ， 中 国 计 算 机 学 会 高 级 会 员 ， 中 国 计 算 机 用 户 协 会 理 事 ， 研 究 方 向 为
阳和地球的热量后，具有了一定的温度，因而也会向
目标进行辐射。 其表达式为：
4
Wsky =C·C·εsky σTsky Fsky
(3)
式 中 ：Tsky 为 大 气 温 度 ；Fsky 为 目 标 表 面 对 大 气 等 效 灰 体 平 面 辐 射 角 系 数 ；εsky 为 大 气 的 等 效 发 射 率 ；C·C 为 云层影响因子；σ 为玻耳兹曼常数。 2.2.2 目标温度平衡模型
环形表面接收到的太阳辐射不同，温度也会不同，可
以按二维进行处理， 其导热微分方程的极坐标形式
如下：
2 2 2
2
ρc
坠T 坠τ
=k
1 r
坠T 坠r
+坠
T
2
坠r
+
1
2
r
坠T
2
坠θ
(7)
对以上方程设定一定的初边值条件，便可采用数
值方法迭代求解出目标表面温度值。
2.3 红外特征图像生成
当利用红外热像仪对目标物进行拍摄时，红外热
参考 图 主 要 来 源 于 可 见 光 图 像 ，而 实 时 图 来 源 于 红 外 图像，红外和可见光成像本身就是一个复杂的多变量 系统，成像的不确定性决定了很难用简单的理论解析 公式来建立红外和可见光成像灰度方程之间的关系 模型，实现图像灰度级的转换。 因此，必须利用可见光 图像研究典型目标的红外特征。
像仪接收到的辐射包括目标自身的辐射和目标对周
围环境的反射辐射，这些辐射经过大气衰减，最后到
达 探 测 器 ，另 外 ，大 气 本 身 也 有 辐 射 ，如 图 5 所 示[6]。
图 4 典型地面目标温度平衡模型示意图 Fig.4 Schematic representation of typical ground object
根据目标外形、有无内热源等，可将不同材质分 类整理到不同的模型，对不同的模型用不同的温度算 法得到表面温度值。 图 3 所示的 6 类材质可以归类整 理为 5 种模型：(1) 草地；(2) 天空；(3) 主厂房， 为有 强内热源的长方体型建筑；(4) 建筑群，为有一般内热 源的长方体型建筑；(5) 烟囱和冷却塔，为有强内热源 的圆柱体型建筑。 2.2 目标表面温度模型建立
2 红外场景仿真关键技术
2.1 基于可见光图像的材质信息分类 与可见光成像原理不同，红外成像主要是基于红
外 辐 射 ， 由 热 辐 射 的 基 本 规 律 可 知 [3]： 温 度 大 于 绝 对 零度的任何物体都有发射红外电磁波的能力，物体的 红外辐射是由表面温度和发射率决定的。 发射率跟物 体的材质有关，而物体的表面温度却会受到各种复杂 因素的影响。 因此，要得到红外特征图像，首先要对可 见光图像进行材质信息的分类，分析得出典型目标的 材质信息、外形信息，从而得到材质的发射率等属性， 然后对各种材质进行分类组合，得到不同的模型进行 温度计算。
Tair (t)=g0 +g1 cosω(t-b1 )+g2 cos2ω(t-b2 )
(2)
式中：g0 ,g1 ,g2 ,b1 ，b2 为待定参数；t 为时间；ω 为角频
率 ，ω=2π/T，周 期 T=24 h(一 昼 夜)。
天空大气辐射也是影响目标温度的一个气象因
素，它主要是一种长波辐射。 大气在吸收了一定的太
量离开该控制体的速率之差，必等于能量在这个控制
体 内 贮 存 的 速 率[5]。
对于目标内部的控制体，由傅里叶定律可建立如
下导热微分方程：
2 2 2 2 ρc= 坠T = 坠 坠τ 坠x
k
坠T 坠x
Baidu Nhomakorabea
+坠 坠y
k
坠T 坠y
+
2 2 坠
坠z
k
坠T 坠z
+Φv
(5)
式中：ρ 为密度；c 为比热容；τ 为时间；k 为导热系数；
Key words: IR scene simulation; Scene matching; Object surface temperature model
0引言
精确制导武器在海湾战争以来的历次战争中都 表现出了优异的性能和高效的打击效果，是未来高技 术条件下信息化战争的主要兵器。 近年来，精确打击 已成为各国军事研究的热点，各国竞相发展和提高精 确制导武器的制导精度与改进制导方式，以适应未来 战 争 的 需 要 [1-2]。 受 保 障 条 件 的 限 制 ， 目 前 ， 景 象 匹 配
再对图像进行材质信息的分类。 一种或多种材质可以 组合成为一个模型，模型是仿真的最小单位，不同的 模型，由于外形不同、材质属性不同，其算法也不同。 结合当时当地气象信息，对不同的模型分别采用不同 的算法计算得到表面温度值，然后结合大气透射率求 出不同模型（目标）到达红外热像仪的红外辐射值，最 后通过灰度映射得到红外特征图像。
关键词：红外场景仿真； 景象匹配； 目标表面温度模型 中 图 分 类 号 ：TN21 文 献 标 识 码 ：A 文 章 编 号 ：1007-2276(2009)01-0023-04
IR scene simulation based on visual image
CHEN Shan，SUN Ji蛳yin
影响目标表面温度的气象因素主要有太阳辐射、 环 境 温 度 、天 空 大 气 辐 射 等[4]。
太阳辐射是一个与时间、纬度和大气特征等相关 的函数，主要包括 3 个方面：太阳直射、太阳散射和地
第1期
陈 珊等：基于可见光图像的红外场景仿真
25
面太阳反射辐射，由于太阳与地球间距离很远，因此，
到达地面的太阳光可看作平行光。 目标表面接收到的
第 38 卷第 1 期 Vol.38 No.1
红外与激光工程 Infrared and Laser Engineering
2009 年 2 月 Feb. 2009
基于可见光图像的红外场景仿真
陈 珊，孙继银 （第 二 炮 兵 工 程 学 院 ，陕 西 西 安 710025）
摘 要：针对景象匹配系统对红外图像的迫切要求，提出了一种利用可见光图像仿真生成红外图 像的方法。 首先，设计了红外场景仿真的总体方案；其次，对其中的基于可见光图像的材质信息分类、 目标表面温度模型的建立及红外特征图像的生成 3 个关键技术做了初步实现；最后，结合红外场景仿 真 算 法 完 成 了 典 型 电 厂 目 标 红 外 场 景 序 列 图 的 生 成 。 实 验 结 果 表 明 ：该 方 法 生 成 的 24 h 序 列 图 像 与 实拍红外图像的变化规律基本一致，从而为可见光图像制备红外基准图提供了一种有效途径。
式，得到反映不同材质属性的多值图。 图 2 为某火电 厂的可见光原始图像，图 3 为经过预处理、材质分类 后的多值图，共有 6 类材质：大地、天空、烟囱、冷却 塔、主厂房和建筑群。
图 2 原始可见光图像 Fig.2 Original visual image
图 1 红外场景仿真流程图 Fig.1 Flow chart of IR scene simulation
根据热平衡建立以下守恒方程：
Ei+Eg-Eo=Es
(4)
式 中 ：Ei 为 单 位 时 间 内 进 入 控 制 体 的 能 量 ；Eg 为 控 制
图 5 红外热像仪的探测示意图 Fig.5 Schematic representation of the general thermographic
（The Second Artillery Engineering Institute, Xi ′an 710025, China）
Abstract: Aiming at the exigent request of the scene matching system to IR image, a method of IR image simulation based on visual image was proposed. Firstly, the overall project design of IR image simulation was given; secondly, several key technologies, such as material classification based on visual image, temperature model establishment of object surface, IR characteristic image production, were realized; finally, the IR scene image sequence of typical power objcet was produced with the algorithm of IR scene simulation. The experimental result shows there is consistent change rule between IR image sequence produced and actual photography IR image. Consequently, an effective approach of preparing IR reference image from visual image is supplied.
太阳辐射可以表示为：
Wsun =CCF·(Wp,b +Wp,d +Wp,ρ )
(1)
式 中 ：Wp,b 为 太 阳 直 射 ；Wp,d 为 太 阳 散 射 ；Wp,ρ 为 地 面
太 阳 反 射 辐 射 ；CCF 为 云 遮 因 子 。
环境温度即空气温度，具有逐日、逐年周期性变化
的特性。 一天的空气温度具有二阶傅里叶变化的趋势：
C4ISR 系 统 与 计 算 机 仿 真 ， 虚 拟 现 实 技 术 。 Email ：manan119577@sohu.com
24
红外与激光工程
第 38 卷
法，所生成的红外特征图像可以作为基准图进行景象 匹配末制导。
1 红外场景仿真总体方案
红外场景仿真总体流程如图 1 所示。 首先导入可 见光图像，对图像进行灰度转换、大小调整等预处理，
目标的红外特性主要表现在对外界辐射能量的 大 小 ， 由 公 式 W=σT 4 可 知 ， 其 辐 射 能 量 的 大 小 取 决 于温度，因实际的目标背景处于自然环境中，气象条 件是影响目标背景温度的关键因素，而有些参数无法 实地实时测量，应该建立影响其红外特性（温度）参数 的模型。 2.2.1 影响目标温度的气象因素
物体的温度主要受自身材质，太阳辐射以及背景 辐射的影响，对于自然条件下的物体，其温度平衡模 型如图 4 所示。
体 自 身 在 单 位 时 间 内 所 释 放 的 能 量 ；Eo 为 单 位 时 间 内
离 开 控 制 体 的 能 量 ；Es 为 控 制 体 内 贮 存 能 量 的 变 化 。
公 式(4)表 明 ：热 能 和 机 械 能 进 入 控 制 体 的 速 率 与 能
Φv 为微元单位体积的发热功率。
对于指挥中心外壁、 远景油罐等目标， 其长度
（ 高 度 ） 和 宽 度 是 厚 度 的 10 倍 以 上 ， 可 以 按 一 维 进 行
处理。 对于无内热源的一维非稳态导热 ，公式(5)可
简化为：
2
ρc=
坠T 坠τ
=k 坠
T
2
坠x
(6)
而对于近景烟囱、冷却塔、油罐等目标，白天其
图像分类处理技术的一般过程为图像预处理、图 像信息提取、特征选择、设计与实现。 本研究的目的是 将图像中不同的材质尤其是目标分割出来，对其进行 红外场景仿真得到红外图像。 在图像分类处理中综合 考虑了图像的纹理信息，采用自动和手动相结合的方
图 3 多值图 Fig.3 Multiple蛳valued image
提出了一种利用可见光图像仿真红外场景的方
收 稿 日 期 ：2008-05-10 ； 修 订 日 期 ：2008-06-23 基金项目：国防“十一五”预研项目 作 者 简 介 ： 陈 珊 (1981-) ， 男 ， 浙 江 丽 水 人 ， 博 士 ， 研 究 方 向 为 计 算 机 仿 真 与 虚 拟 现 实 技 术 。 Email ：chenshan1223@126.com 导 师 简 介 ： 孙 继 银 (1952-) ， 男 ， 山 东 单 县 人 ， 教 授 ， 博 士 生 导 师 ， 中 国 计 算 机 学 会 高 级 会 员 ， 中 国 计 算 机 用 户 协 会 理 事 ， 研 究 方 向 为
阳和地球的热量后，具有了一定的温度，因而也会向
目标进行辐射。 其表达式为：
4
Wsky =C·C·εsky σTsky Fsky
(3)
式 中 ：Tsky 为 大 气 温 度 ；Fsky 为 目 标 表 面 对 大 气 等 效 灰 体 平 面 辐 射 角 系 数 ；εsky 为 大 气 的 等 效 发 射 率 ；C·C 为 云层影响因子；σ 为玻耳兹曼常数。 2.2.2 目标温度平衡模型
环形表面接收到的太阳辐射不同，温度也会不同，可
以按二维进行处理， 其导热微分方程的极坐标形式
如下：
2 2 2
2
ρc
坠T 坠τ
=k
1 r
坠T 坠r
+坠
T
2
坠r
+
1
2
r
坠T
2
坠θ
(7)
对以上方程设定一定的初边值条件，便可采用数
值方法迭代求解出目标表面温度值。
2.3 红外特征图像生成
当利用红外热像仪对目标物进行拍摄时，红外热
参考 图 主 要 来 源 于 可 见 光 图 像 ，而 实 时 图 来 源 于 红 外 图像，红外和可见光成像本身就是一个复杂的多变量 系统，成像的不确定性决定了很难用简单的理论解析 公式来建立红外和可见光成像灰度方程之间的关系 模型，实现图像灰度级的转换。 因此，必须利用可见光 图像研究典型目标的红外特征。
像仪接收到的辐射包括目标自身的辐射和目标对周
围环境的反射辐射，这些辐射经过大气衰减，最后到
达 探 测 器 ，另 外 ，大 气 本 身 也 有 辐 射 ，如 图 5 所 示[6]。
图 4 典型地面目标温度平衡模型示意图 Fig.4 Schematic representation of typical ground object
根据目标外形、有无内热源等，可将不同材质分 类整理到不同的模型，对不同的模型用不同的温度算 法得到表面温度值。 图 3 所示的 6 类材质可以归类整 理为 5 种模型：(1) 草地；(2) 天空；(3) 主厂房， 为有 强内热源的长方体型建筑；(4) 建筑群，为有一般内热 源的长方体型建筑；(5) 烟囱和冷却塔，为有强内热源 的圆柱体型建筑。 2.2 目标表面温度模型建立
2 红外场景仿真关键技术
2.1 基于可见光图像的材质信息分类 与可见光成像原理不同，红外成像主要是基于红
外 辐 射 ， 由 热 辐 射 的 基 本 规 律 可 知 [3]： 温 度 大 于 绝 对 零度的任何物体都有发射红外电磁波的能力，物体的 红外辐射是由表面温度和发射率决定的。 发射率跟物 体的材质有关，而物体的表面温度却会受到各种复杂 因素的影响。 因此，要得到红外特征图像，首先要对可 见光图像进行材质信息的分类，分析得出典型目标的 材质信息、外形信息，从而得到材质的发射率等属性， 然后对各种材质进行分类组合，得到不同的模型进行 温度计算。
Tair (t)=g0 +g1 cosω(t-b1 )+g2 cos2ω(t-b2 )
(2)
式中：g0 ,g1 ,g2 ,b1 ，b2 为待定参数；t 为时间；ω 为角频
率 ，ω=2π/T，周 期 T=24 h(一 昼 夜)。
天空大气辐射也是影响目标温度的一个气象因
素，它主要是一种长波辐射。 大气在吸收了一定的太
量离开该控制体的速率之差，必等于能量在这个控制
体 内 贮 存 的 速 率[5]。
对于目标内部的控制体，由傅里叶定律可建立如
下导热微分方程：
2 2 2 2 ρc= 坠T = 坠 坠τ 坠x
k
坠T 坠x
Baidu Nhomakorabea
+坠 坠y
k
坠T 坠y
+
2 2 坠
坠z
k
坠T 坠z
+Φv
(5)
式中：ρ 为密度；c 为比热容；τ 为时间；k 为导热系数；
Key words: IR scene simulation; Scene matching; Object surface temperature model
0引言
精确制导武器在海湾战争以来的历次战争中都 表现出了优异的性能和高效的打击效果，是未来高技 术条件下信息化战争的主要兵器。 近年来，精确打击 已成为各国军事研究的热点，各国竞相发展和提高精 确制导武器的制导精度与改进制导方式，以适应未来 战 争 的 需 要 [1-2]。 受 保 障 条 件 的 限 制 ， 目 前 ， 景 象 匹 配
再对图像进行材质信息的分类。 一种或多种材质可以 组合成为一个模型，模型是仿真的最小单位，不同的 模型，由于外形不同、材质属性不同，其算法也不同。 结合当时当地气象信息，对不同的模型分别采用不同 的算法计算得到表面温度值，然后结合大气透射率求 出不同模型（目标）到达红外热像仪的红外辐射值，最 后通过灰度映射得到红外特征图像。
关键词：红外场景仿真； 景象匹配； 目标表面温度模型 中 图 分 类 号 ：TN21 文 献 标 识 码 ：A 文 章 编 号 ：1007-2276(2009)01-0023-04
IR scene simulation based on visual image
CHEN Shan，SUN Ji蛳yin
影响目标表面温度的气象因素主要有太阳辐射、 环 境 温 度 、天 空 大 气 辐 射 等[4]。
太阳辐射是一个与时间、纬度和大气特征等相关 的函数，主要包括 3 个方面：太阳直射、太阳散射和地
第1期
陈 珊等：基于可见光图像的红外场景仿真
25
面太阳反射辐射，由于太阳与地球间距离很远，因此，
到达地面的太阳光可看作平行光。 目标表面接收到的
第 38 卷第 1 期 Vol.38 No.1
红外与激光工程 Infrared and Laser Engineering
2009 年 2 月 Feb. 2009
基于可见光图像的红外场景仿真
陈 珊，孙继银 （第 二 炮 兵 工 程 学 院 ，陕 西 西 安 710025）
摘 要：针对景象匹配系统对红外图像的迫切要求，提出了一种利用可见光图像仿真生成红外图 像的方法。 首先，设计了红外场景仿真的总体方案；其次，对其中的基于可见光图像的材质信息分类、 目标表面温度模型的建立及红外特征图像的生成 3 个关键技术做了初步实现；最后，结合红外场景仿 真 算 法 完 成 了 典 型 电 厂 目 标 红 外 场 景 序 列 图 的 生 成 。 实 验 结 果 表 明 ：该 方 法 生 成 的 24 h 序 列 图 像 与 实拍红外图像的变化规律基本一致，从而为可见光图像制备红外基准图提供了一种有效途径。
式，得到反映不同材质属性的多值图。 图 2 为某火电 厂的可见光原始图像，图 3 为经过预处理、材质分类 后的多值图，共有 6 类材质：大地、天空、烟囱、冷却 塔、主厂房和建筑群。
图 2 原始可见光图像 Fig.2 Original visual image
图 1 红外场景仿真流程图 Fig.1 Flow chart of IR scene simulation