基于图像实时绘制的烟幕仿真方法研究*

2012-07-25吕俊伟

微处理机 2012年5期

陆斌，吕俊伟

(海军航空工程学院控制工程系，烟台264001)

1 引言

在光电对抗领域烟幕已成为一种应用广泛的无源干扰手段，具有成本低、战术使用简易方便等特点。通常烟幕干扰技术就是在空气中释放大量特定气溶胶微粒，来改变电磁波的介质传输特性，是光电探测、观瞄、红外制导武器干扰的有效手段，尤其对成像型的光电精确探测、制导等武器作战效能产生了很大的影响。烟幕的扩散，受大气、地形等多种因素的影响，一旦释放，便难以控制。因此烟幕武器的研制离不开理论指导和科学试验，以及相应的测试和评估，它对确保装备的性能和质量及实战使用中发挥最大的潜能具有举足轻重的作用［1］。然而，利用大量外场试验来研究烟幕对成像制导武器的干扰效果不仅需大量的人力、物力代价，而且由于外场烟幕试验受到多种不可控因素的影响导致试验效率不高，而单纯的室内试验又缺乏足够的依据。目前比较科学的方法是综合野外、半实物和实验室的试验方法，同时利用仿真技术是缩短系统研制与试验鉴定周期、降低效果评估成本的主要手段。

无论是对各光谱频段还是各种烟幕类型，作为图像仿真的重要依据，外场试验是必不可少的。根据任务需要及各种方法的特点，采用某型发烟罐的外场试验方法，采集其定量的多光谱传感器相关测量数据，修正典型的爆炸型、扩散型烟幕模型，并根据外场试验环境实际背景，形成典型地貌条件、气象条件的背景图像库，通过图像实时绘制技术形成对此类发烟罐各使用情况的视景仿真。程序软件采用C++Buider2007，视景点阵360×240(不小于典型成像型武器的跟踪窗口)，帧频为40帧每秒，可以满足对一般成像型制导的仿真实时性要求。

2 烟幕仿真各要素模型与图像库

对在烟幕干扰情况下成像型制导武器的视景仿真至少包括目标、背景和烟幕三个基本要素，在动态图像中，这三个要素的特点比较明显，即各要素本身相对独立，在序列图像中资相关性大，与其它要素的相关性小。根据这个特点，在视景仿真中，对各要素进行独立的模型与图像库建设，作为实时绘制合成的基础元素。需要说明的是，对各光谱波段，烟幕的影响不相同，各要素的模型也不同，这里以可见光波段为例重点介绍烟幕的模型与图像库的实现。

2.1 烟幕的模型

烟幕对可见光的衰减主要体现在散射方面，当目标与成像传感器间有烟幕介入时，由于它的散射作用而降低亮度对比度［2］，总对比度用下式加以表达:

式中:a为烟幕的消光系数;c为烟幕的浓度;L为光线在烟幕中的传送距离;G为烟幕的自身辐射亮度(见图1)。

图1 外场试验中烟幕扩散过程

根据烟幕消光的“朗伯-比尔”定律。和文献中的扩散模型，可以得到烟幕透过率计算的方法。一般的烟幕衰减作用表示为:

式中:I为透过烟幕传输的辐射强度(W/sr);I0为进入烟幕前的辐射强度(W/sr);a0为烟幕遮蔽物的消光系数(m2/g);c为烟幕浓度(g/m3);l为烟幕厚度(m)。

一般典型烟幕认为是粒子系统［2］，受气象、地形、环境等因素影响较明显，一般模型的建立需采用典型的外部条件。例如假设地面无吸收和吸附作用，烟幕本身是无沉降的被动成分，地面对污染物的作用犹如一个全反射体，风速大于1m/s，风向恒定，地面水平均匀，由“梯度传送理论”及“统计理论”推导出地面连续点源浓度高斯(正态)型浓度模式:

式中，C(x，y，z，H)为点(x，y，z)处的烟幕浓度(g/m3)，Q为烟幕的释放速率(g/s)，u为释放期间的平均速度(m/s)，H为烟流的有效高度(m)，σy，σz为y方向和z方向的大气扩散方差，其中

式中，γ1，γ2，a1，a2是与大气稳定度及地形有关的参数。

2.2 基于视景仿真的某型发烟罐烟幕模型修正

作为军事探测跟踪的可见光波段图像，基本为灰度图像，因此亮度的对比度要比颜色的对比度重要得多，对于成像传感器而言，烟幕的消光与遮蔽作用反映在信号的体现就是灰度数值的变化［3］，即成像面阵的各相关像素点的灰度值明暗及相互关系的变化［4］。透过烟幕成像的面阵与烟幕透过率的矩阵关系如下(假设成像面阵为m×n):

根据对某型发烟罐的材料特性及多次外场试验测量，测量过程中需要考虑天空背景、阳光角度等因素，其中烟幕的施放条件影响最为明显，图2反应了不同烟幕条件下的透过率影响。

根据透过率计算可以得到成像面阵的相应辐照度［5］，相应的反映在成像像素即为灰度值，然后需要进行相应的量化，作为烟幕图像的依据，这里采用均匀量化的方法，辐照度与灰度呈线性关系。找出烟幕辐照度的最大值和最小值，分别用Esmax和Esmin表示。计算每级灰度对应的辐射间隔:

计算各辐照度对应的灰度值:

并以此形成烟幕图像各像素的灰度关系。

图2 不同烟幕条件下的各光谱透过率

2.3 目标与背景

这里目标和背景采用Multigen Creator进行辐射模型建立，并通过外场试验中得到的目标图像进行特征归纳，得到相应的灰度分布特点以及灰度值修正量化阈值。Multigen Creator软件是 Multigen Paradigm公司专门针对可视化仿真行业应用特点推出的可视化三维建模软件系统，它提供了分别运行于高端SGI工作站和低端PC平台的不同版本，可以最大限度地满足不同应用需求。

目标的建立包括以下基本过程:目标自身辐射的三维模型;各种环境辐射模型;探测器像元的辐照度模型。其中，在向目标三维几何模型进行纹理映射时，映射的是表征辐射的灰度图像，其灰度值不代表辐射值，但有一个映射关系。事先将这些灰度值转化为辐射值并作为一张浮点纹理映射到目标的三维几何模型上。在渲染时，对该纹理进行取样，就得到成像平面上每一个像素对应的目标表面的辐射值。由于目标表面不同部位的反射率是不同的，所以在仿真的时候需要给目标表面的不同部位赋予不同的反射率，将目标表面的反射率作为一张浮点纹理映射到目标的三维几何模型上［6］。在图形渲染的时候，对该纹理进行取样，就可以得到成像平面上每一个像素对应的目标表面反射率。

背景的建立一般以典型的战场环境为依据，结合外场试验的图像进行相应的调整修正。由于条件限制，实际拍摄的自然地形的纹理图像大小往往是有限的，必须设法构造大面积的地形纹理。利用图像拼接可以把针对同一场景的相互有部分重叠的一系列图片合成一幅大的宽视角的图像，而拼接的工作就是搜寻相邻两幅图像中相同的内容，从而确定它们的相对位置。这里采用的方法是在对基于区域匹配方法改进的基础上将若干幅平移拍摄得到的地形纹理图像拼接成一幅大面积的地形纹理图像，即首先对相邻两幅图像进行直方图均衡化，增强图像对比度;然后在原图中与待拼接图像重叠的区域内按照自定义模版尺寸逐像素计算局部标准差，并将局部标准最大值所对应的区域作为匹配模版，将此模版与待拼接图像进行区域匹配，找出相关度最大值所对应的区域为匹配区域，然后利用匹配区域将原图与待拼接图像进行缝合(见图3)。

图3 目标与背景的仿真图

3 基于图像绘制的实时仿真

作为实时图像仿真的一种实用方法，实时图像绘制有其明显的特点，实现简单灵活，针对性强;但是对相应的图像素材要求高，不宜实时生成，对硬件尤其是计算机内存和显示内存有一定的要求。

在项目涉及的任务中，图像的仿真具有很强的针对性要求，同时外场试验能够提供较丰富的图像素材，因此可以通过计算机程序预先加载处理的方法完成相关的仿真要素图形库，同时，目前的计算机硬件水平已经完全达到了对一定尺寸仿真窗口实时图像绘制的实时性要求。

经过建模与修正后的各仿真要素形成相应的图形库，并在仿真程序开始时进行预加载入内存，在仿真程序的控制下在屏幕进行分层实时绘制，各个图层的对应关系及程序流程如图4和图5所示。

仿真程序采用C++Buider2007编程软件，该软件有代码兼容性好、开发周期短的特点，其前身是Borland C++的典型代表产品［7］。在代码编写中的一个关键技术，就是图像的掩色(key color)技术，可以实现不同图层的透明绘制，这点可以通过如下代码实现:

Bitmap1-＞Canvas-＞CopyMode=cmSrc-Copy;//确定绘制透明模式

Bitmap1- ＞Canvas- ＞CopyRect(des1，Bitmap- ＞ Canvas，des);//确定绘制区域

Bitmap1- ＞Canvas- ＞StretchDraw(MyRect，bp1);//在指定区域绘制背景图像

Bitmap1- ＞Canvas- ＞StretchDraw(MyOther，bp2);//在指定区域绘制目标图像

Bitmap1- ＞Canvas- ＞StretchDraw(MyOther1，bp2);//在指定区域绘制烟幕图像

Form1 - ＞ Canvas- ＞ Draw(300，0，Bitmap1);//在屏幕指定区域绘制以上各图层的叠加图像

图4 分层实时绘制的各图层关系

图5 实时仿真程序流程

4 结束语

基于图像绘制的实时仿真方法对于针对性比较强、具备一定的仿真对象图形图像特征素材的情况。具有比较明显的优点，可以弥补在外场试验条件没有完成的一些条件下的试验情况，由于是采用实际试验对象的图形图像素材作为模型建立的基础来仿真不同环境和条件下的试验过程，因此具备比较高的可信度。编程软件采用C++builder2007软件，使用基于分层实时透明绘制的烟幕仿真程序实现了窗口为360×240、帧频不小于40帧的跟踪与干扰场景，仿真图像如图6所示。