基于Creator和Vega的红外/SAR成像仿真

2014-03-05刘法龙刘俊赵宗贵谷雨

现代电子技术 2014年4期

刘法龙+刘俊+赵宗贵+谷雨

摘要：在此使用Creator软件建立了带纹理的目标三维模型，以及利用Vega的TMM和MAT工具分别对目标纹理和大气环境进行了建模。基于Vega及其扩展模块远红外传感器仿真模块对红外图像进行了仿真；基于Vega及其扩展模块雷达仿真模块对SAR成像进行了仿真。针对同一场景、同一目标的红外/SAR图像融合过程中存在的图像获取问题，提出一种对同一探测目标的半真实半仿真图像获取方法；使用传感器视效模拟模块进行同一时刻、场景和大气条件下的SAR图像和红外图像仿真。使用Cretor和Vega软件生成红外/SAR图像具有周期短、实时性高的特点，可以很好地解决红外/SAR图像获取难的问题，在军事与民用领域中均有广泛的应用。

关键词：红外图像； SAR图像；计算机仿真； Vega；Creator

中图分类号： TN919?34； TP391.9 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）04?0104?04

IR/SAR iimaging simulation based on Creator and Vega

LIU Fa?long1， LIU Jun1，2， ZHAO Zong?gui2， GU Yu1

（1. College of Automation， Hangzhou Dianzi University， Hangzhou 310018， China；

2. The 28 institute， China Electronics Technology Group Corporation，Nanjing 210000， China）

Abstract： A three?dimensional target model with texture was built with Creator software. The models of the target texture and atmospheric environment were established by means of TMM and MAT tools in Vega. The infrared image is simulated on the basis of Vega and its expansion module （far?infrared sensor simulation module）. The SAR imaging is simulated on the basis of Vega and its expansion module （radar simulation module）. In order to solve the problem existing in the same scene and same target infrared image/SAR image fusion， a acquisition method of the half?real half?simulication image of same target is proposed. The sensor simulication visual module is used to simulate the SAR image and IR image in the same time， scene and atmospheric condition. Using Creator and Vega softwares to generate infrared/SAR images has the characteristics of short cycle and high real?time features， which can solve the problem of IR/SAR image acquisition. It has been widely used in military and civil fields.

Keywords： infrared image； SAR image； computer simulation； Vega； Creator

0 引言

目前，红外与SAR图像在现代化战争中都发挥着十分重要的作用，在军事领域有着广泛的应用前景。在多源信息融合的研究过程中，需要采集源自多个传感器的同一场景、时刻和目标数据（如红外图像和SAR图像），以便进行图像融合，并对已提出的各种算法进行校验[1]。采用仿真手段来获取同一场景、时刻和目标的具有较强真实性的各种复杂环境成像条件下的SAR图像和红外图像，以便于缩减测试成本和试验时间。

虚拟现实技术可分为视景建模和视景驱动。视景建模主要包括：模型设计与实现、场景构造与生成、纹理设计制作、特效设计等，要求构造出逼真的三维模型和制作逼真的纹理和特效；视景驱动主要包括：场景驱动、模型调度处理、分布交互、实时大场景处理等。

1 软件介绍

Multigen?Paradigm公司的Creator软件是一个功能强大、交互式的专业虚拟现实建模软件。它提供了强大的多边形建模、矢量建模以及大面积地形精确生成等功能，包含了一系列API库函数[2]，用户可以读、写和建立flt格式文件，能够高效地生成实时三维模型数据库，大大降低开发难度，缩短开发周期。Vega作为Multigen?Paradigm公司的旗舰产品之一，也逐渐成为可视化仿真领域的世界领先级应用软件环境。Vega是一套完整地用于开发交互式、可视化仿真应用的软件平台和工具集，它最基本的功能是驱动、控制、管理虚拟场景并能够方便地实现大量特殊视觉和声音效果。Vega提供了友好的图形界面、完整的C语言应用程序接口、丰富的相关实用库函数和一批可选的功能模块，能够满足多种特殊的仿真要求。使用Vega可以大幅度减少源代码的编程，使软件的维护和实时性能的进一步优化变得更加容易，从而大大提高了工作效率。

2 Creator目标建模

可视化仿真实时性和交互性的本质特征和实时渲染的底层实现过程，决定了用于可视化仿真系统的三维模型数据库需要有不同于传统三维模型数据库的一些特点[3]，主要要求有：

（1）模型多边形数量要尽可能少；

（2）模型数据的构造尽可能简单；

（3）模型数据库的结构要便于进行遍历操作；

（4）模型数据库要能够被应用程序快速读取并可以包含各种约束信息[4]。

本文所要生成红外/SAR图像具有相同的目标与背景，均是在小镇模型中加入了飞机、坦克、舰船三个目标，下面以F?35战机模型为例介绍目标模型的建立过程，如图1所示。

图1 飞机建模图

（1）首先根据战机外形尺寸的详细资料构建几何模型，层次建模如图1（a）所示；

（2）通过战机的图片资料制作纹理，根据颜色通道数量和压缩格式的不同，纹理图像可以存为各种格式，Creator支持的主要格式包括INT，INTA，RGB，RGBA，TGA，JPEG，GIF，BMP等格式。然后通过纹理调板将获得的纹理图像映射到几何模型中，得到目标的三维模型如图1（b）所示。

3 红外/SAR图像仿真

红外/SAR图像视景仿真系统结构图如图2所示，首先在Vega提供的用户界面Lynx中将Creator创建的飞机、坦克、舰船模型

加入到小镇场景中，初始化窗口、通道、观察者、环境及环境效果等基本参数，其中Vega的TMM（纹理材料图生成器）和MAT（大气工具）的参数设置是红外/SAR图像仿真成功的关键，然后通过Radar Works与Sensor Vision分别读取.tmm与.mat文件，结合/SAR红外传感器的参数设置情况得到同一时刻、场景和大气条件下的SAR图像和红外图像。

图2 仿真系统结构图

3.1 红外图像仿真

在远红外传感器仿真模块（Vega Sensor Vision）加入目标模型、大气和红外材质模型后，Vega软件会根据大气质量、光谱、环境辐射、转化因子、温度等参数实时计算得到场景的红外图像。通过传感器视效模拟模块提供的可视化参数设置界面，可以进行探测器仿真，加入光学透过率、孔径、聚焦误差、F数、探测器分辨力、探测器元数、系统灵敏阈、线路噪声等参数，产生各种有实用价值的传感器特殊视觉效果，得到更加逼真的仿真红外图像[5]。

为满足不同远红外探测精度的要求，Vega远红外传感器仿真模块支持两种不同的温度探测模式。

（1）假设单个模型几何体都是同一个温度，这种模式的优点是成像速度快，但效果不如第二种方式逼真。

（2）对模型对象几何体的每个顶点都进行准确的温度探测，使用这种模式可以获得非常逼真的远红外传感器仿真效果，实际运行时计算强度会成倍增加[6]。

如图3（a）所示为模型坦克生成的红外图像，通过Lynx中的Object Property Editor工具设置坦克不同部位的温度，从图中可以看出由于设定坦克履带与炮管的温度高于坦克车体温度，因此履带与炮管相对车体要更亮一点，与实际情况相符。

在飞行目标的三维红外仿真中，目标喷射的尾焰是重要的红外辐射源，研究尾焰红外特性并对其仿真可以极大地提高仿真场景的真实度[7]。使用Vega特殊效果模拟扩展模块，可以方便地在视景仿真应用中模拟出各种很难用多边形建模方式表现出来的特殊视觉效果，包括火焰燃烧效果、烟雾效果及各种爆炸效果。主要采用Vega特效模块的自定义粒子系统来完成尾焰的生成，Vega特效模块提供可扩展的粒子系统设置面板，通过在LynX图形界面中定义的粒子系统支持动态地更改属性设置，从而能够交互地创造出自定义的特殊效果[8]。如图3（b）所示为使用Vega的特效模块模拟出的战机尾焰红外图像，可以看出模拟的尾焰亮度明显高于飞机表面蒙皮。

图3 红外仿真图像

3.2 SAR图像仿真

雷达散射截面积（RCS）是精确生成雷达仿真图像的基础，RCS 是对物体微波特性的一种描述，其定义为雷达接收的目标回波功率与发射功率密度之比即：

[RCS=Pp=4π?R2PPT] （1）

式中：P为雷达接收的目标回波功率；[p]为发射功率密度；[PT]为雷达发射功率；R为雷达到目标的距离。RCS 反映的是目标对雷达发射波的反射能力，是回波信号与发射信号的一种比例关系[9]。

Vega中的雷达仿真模块是基于物理机制的雷达成像仿真，能仿真真实雷达设备。雷达仿真模块首先根据场景中纹理的材料构成，从材料文件中获取各种材料的平均后向散射系数及其方差。它们都是频率、极化方式、入射角的函数。然后再结合场景的几何信息和雷达参数查找材料数据库和文化特征数据库获取RCS值，生成场景的RCS图。将所产生的散射分布图与所定义的雷达参数相结合产生雷达图像。

由于场景目标的材质属性直接影响雷达散射截面积计算，因此将目标和背景的几何模型表面纹理图片映射为相对应的纹理材质对于SAR仿真图像的生成是非常重要的。TMM（Texture Material Mapper）是Vega中用来将Creator 三维模型可见光纹理转换至材质的辐射纹理的工具，它提供了一种方法用来生成从Vega 提供的对象的纹理到材质的映射。TMM 通过设定Creator模型文件纹理和目标材质的映射，从而确定模型中物体的真实材质。利用雷达仿真模块提供的可视化参数设置界面，通过为SAR传感器设置各种工作参数，如发射频率、极化方式、分辨率、运动补偿、边缘增强等。虚拟场景中的模型对象具有了真实的物理材质属性后，就可以使用Vega雷达仿真模块在可视化仿真应用中模拟符合实际情况的雷达扫描显示效果[10]。如图4所示，在Vega自带的小镇场景模型中加入了飞机目标模型，对SAR在不同参数下的飞机模型成像效果进行了模拟。图4（a）是在雷达工作频带为C（4～8 GHz）极化方式VV时的SAR图像，图4（b）是在工作频带为C（4～8 GHz）极化方式VH时的SAR图像，图4（c）是在工作频带为K（18～27 GHz）极化方式VV时的SAR图像，图4（d）是在雷达工作频带为K（18～27 GHz）极化方式VH时的SAR图像，由图4可以看出，在极化方式相同的情况下，高频带K（18～27 GHz）得到的SAR图像要比低频C（4～8 GHz）下的SAR图像分辨率要高，这是由于雷达工作频率越高相应发射的电磁波长越短，能够对物体进行更加细致的区分观察，从而得到高分辨率的SAR图像。在雷达工作频率相同的情况下，不同极化方式对SAR图像中飞机目标的RCS有着较大的影响，极化方式为VV时得到的SAR图像飞机目标成像质量更高。

图4 SAR仿真图像

3.3 半实物仿真

针对同一场景、同一目标的红外/SAR图像融合过程中存在的图像获取问题，提出一种对同一探测目标的半真实半仿真图像获取方法，即一种为通过真实传感器探测得到的图像，另一种为针对同一探测目标仿真获得的图像，图5（a）为某型红外热像仪实际探测得到的吉普车红外图像，该红外热像仪探测器像元数不小于320×240非制冷红外焦平面，宽视场≥15°×11°，窄视场≤5.7°×4°，工作波段为8～12 μm，通光孔径为Φ150 mm。

图5（c）为基于吉普汽车实际探测得到的真实SAR图像，图5（b），（d）分别为根据已有的真实图像仿真获得的同一场景、目标、大气条件下的SAR与红外图像，通过对同一目标的真实图像与仿真图像的研究可以获取到更多的目标信息，为多传感器条件下的图像融合提供更多的数据参考信息。

图5 半实物仿真图像

4 仿真结果

如图6所示是仿真生成的同一时刻、场景和大气条件下的SAR图像和红外图像，两组图像中的场景均为Vega自带的小镇模型，加入的目标模型是由Creator软件建模生成的飞机、坦克及舰船目标，SAR图像设置的最大可视RCS范围为-30～10 dBsm，SAR成像模式选择为“Stripmap”，频率设置为“Ku波段”，极化方式为“VV”，雷达到目标中心的地面距离Range设置为“2 050 m”，斜视角度设置为90°。

图6（b）是在波长为3～5 μm时有传感器噪声的红外图像，这里对坦克的炮管设置较高温度，并且在飞机尾部增加了尾焰效果，增强了仿真逼真度。

图6 同一场景的SAR与红外图像

5 结语

本文分析了红外/SAR图像仿真过程中的关键技术，以飞机模型为例讨论了使用Creator软件进行建模，对红外图像中坦克目标的不同部位设置温度差，并对飞机目标尾部加入了尾焰特效，成功生成了SAR图像，红外/SAR图像无论在军事与民用领域中均有广泛的应用，使用Cretor和Vega软件生成红外/SAR图像具有周期短、实时性高的特点，可以很好地解决红外/SAR图像获取难的问题，通过对比可以发现，在同一传感器条件下仿真得到的图像与真实探测结果还是有一定的差距。图像仿真是一种有效的途径，但是仿真图像不能代替真实传感器探测得到的结果。接下来主要针对生成的同一时刻、场景和大气条件下的SAR图像和红外图像开展目标识别方面的研究工作。

参考文献

[1] 高思莉，汤心溢.空中飞行目标尾焰红外辐射信号的建模与仿真[J].光电工程，2007，34（8）：25?27.

[2] Anon. Sensor product help [M]. America： MultiGen?Paradigm， 2001.

[3] 王乘，周均清.Creator可视化仿真建模技术[M].武汉：华中科技大学出版社，2005.

[4] LIU Zhen?bao， WANG Zhong?sheng， ZHANG Chao. Scheme of dynamic clouds generation for 3Dreal time flight simulation [C]// Proceedings of 2010 ICCMS Second International Conference on computer modeling and simulation. Sanya， Hainan： ICCMS， 2010， 2： 370?374.

[5] 任亮.基于Vega的实时红外视景生成技术研究[D].南京：南京理工大学，2009.

[6] 乔国军.基于Vega的红外目标仿真研究[D].南京：南京理工大学，2009.

[7] 王乘，周均清.Vega实时三维视景仿真技术[M].武汉：华中科技大学出版社，2005.

[8] 杨述华，廖守亿.应用Vega模块的红外成像系统仿真建模方法[J].探测与控制学报，2008，30（3）：32?35.