基于SE－Workbench－IR的紅外視景仿真研究＊

張 云，馬崇宵，薛艷茹，于晶晶

（河北科技師范學院，河北秦皇島 066600）

0 引言

視景仿真是虛擬現(xiàn)實技術的最重要的表現(xiàn)形式，它采用計算機圖形圖像技術來構(gòu)造仿真對象的三維模型或再現(xiàn)真實的環(huán)境，以達到非常逼真的仿真效果，使用戶與所仿真的環(huán)境能夠直接進行自然交流［1］。早期國內(nèi)在紅外視景仿真領域的研究主要基于OpenGL平臺［2］，但隨著研究的深入以及某些傳統(tǒng)原因大都轉(zhuǎn)向Vega平臺［3］，相關研究成果也已在軍事科研等領域得到了比較廣泛的應用。

法國OKTAL－SE公司從事多傳感器仿真和合成環(huán)境建模領域的研發(fā)工作已接近20年，它提供光電、射頻、聲納等多傳感器仿真和合成環(huán)境建模工具以及相關的工程服務，在歐洲是這個領域的領導者，并在軍事科研等專業(yè)領域進行開發(fā)應用更具有獨特的優(yōu)勢。SE－Workbench－IR 是 OKTAL－SE 公司通用解決方案SE－Workbench的一部分，它是一個專門用于紅外視景數(shù)據(jù)生成、分析和仿真的工具包，可以提供高效的、和傳感器感知相一致的、物理上精確的可見光和紅外視景仿真方法。

1 SE－Workbench－IR功能架構(gòu)

SE－Workbench－IR以尋求仿真的真實性作為基本原則，確保環(huán)境和目標的紋理及物理特性的精確性。SE－Workbench－IR主要包括三維地形建模模塊SE－AGETIM、物理模型建模模塊 SE－PHYSICALMODELER、紋理結(jié)構(gòu)分類模塊SE－CLASSIFICATION、大氣模型建模模塊SE－ATMOSPHERE、熱量模型建模模塊SE－THERMAL、紅外快速圖像生成模塊SE－FAST－IR、紅外射線追蹤模塊SE－RAY－IR、圖形用戶界面配置工具模塊SE－SCENARIO、C語言應用編程接口SE－TOOLKIT和紅外傳感器模塊SEIR－SENSOR等［4－13］。

其 中，SE－AGETIM、SE－PHYSICAL－MODELER、SE－CLASSIFICATION、SE－ATMOSPHERE、SE－THERMAL等模塊分別用于編輯和生成地形、目標和環(huán)境的三維仿真模型數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)的產(chǎn)生依據(jù)模型的物理參數(shù)和結(jié)構(gòu)，并根據(jù)地理位置、海拔、氣候條件、日期時間等參數(shù)，以及歷史數(shù)據(jù)和各種物理效應，具有高逼真度、多頻譜的特點。

SE－FAST－IR模塊由 SE－FAST－IR－COMPILER和SE－FAST－IR API組成，用于在OpenGL和圖形加速卡支持下實時的可視化3D數(shù)據(jù)。SE－FAST－IRCOMPILER可以通過調(diào)用SE－FAST－IR API函數(shù)庫將物理數(shù)據(jù)最優(yōu)的轉(zhuǎn)換成編譯后的數(shù)據(jù)，而SEFAST－IR API則被設計成為一個渲染引擎，它依賴于一些著名的場景繪制工具如Open Scene Graph、VEGA Prime、Performer等。SE－RAY－IR模塊基于射線追蹤技術，高逼真度的生成紅外視景圖像。由于計算復雜，該模塊生成的紅外視景圖像不具有實時性。

SE－SCENARIO模塊為交互式仿真集成開發(fā)環(huán)境，用于編輯仿真想定，主要有場景編輯、運動軌跡編輯和計時器編輯等功能，并可以將編輯好的場景進行交互顯示。其中，場景編輯用于編輯場景中的一系列分級實體，如三維物體、傳感器類型、粒子束系統(tǒng)等；運動軌跡編輯用于仿真一個預先給定運動軌跡實體的運動；計時器編輯可以使用戶使用計時器為基于時間的動作或基于事件的動作編輯一個腳本。

SE－TOOLKIT由一組鏈接庫和應用編程接口組成，通過二次開發(fā)，使用戶可以進行復雜的硬件在回路或軟件在回路等綜合應用。SE－IR－SENSOR模塊為一組函數(shù)庫，用于模擬紅外熱圖經(jīng)過紅外傳感器后的效果。

2 基于SE－Workbench－IR的紅外視景仿真方法

SE－Workbench－IR支持交互式仿真和API仿真兩種應用模式［11］。交互式仿真是通過使用圖形用戶界面配置工具SE－SCENARIOTM編輯仿真想定，然后調(diào)用編輯好的3D數(shù)據(jù)庫以及相關軟件模塊，交互的實現(xiàn)紅外視景仿真的目的，具有快速、便捷等特點。API仿真模式通過C軟件開發(fā)平臺和SE－TOOLKIT模塊相結(jié)合，開發(fā)出更為復雜、功能更為強大、應用更為廣泛的紅外視景仿真應用軟件，以進行大規(guī)模的并行紅外視景仿真及更復雜的軟硬件在回路仿真等。

另外，基于SE－Workbench－IR的仿真可以分為實時仿真和非實時仿真兩種類型［9］。非實時仿真通過SE－RAY－IR射線追蹤技術實現(xiàn)高逼真度的視景仿真效果，可以用于目標跟蹤、自動目標識別以及模型的驗證和評估等方面的仿真應用；實時仿真技術通過SE－FAST－IR以及圖形卡技術支撐，實現(xiàn)仿真的實時性，可以用于模擬訓練、Monte－Carlo分析以及軟、硬件在回路系統(tǒng)的測試和驗證等目的。

如圖1為基于SE－Workbench－IR的紅外視景仿真過程。在交互式仿真模式下，圖1中的編輯想定通過SE－SCENARIO配置工具實現(xiàn)；而在API仿真模式下，可以采用由SE－SCENARIO事先編輯好的想定，也可以通過軟硬件在回路的方式實時更新想定，實現(xiàn)更加復雜的仿真目的。通過使用SE－Workbench－IR，可以得到高逼真度、多波段的紅外視景圖像，如圖2所示。

圖1 基于SE－Workbench－IR紅外視景仿真過程

圖2 SE－Workbench－IR視景仿真效果

3 基于SE－Workbench－IR的紅外視景仿真應用

SE－Workbench－IR作 為 OKTAL－SE 公 司 專 業(yè)的紅外視景仿真工具，在西方如法、德、英等國家以及亞洲的一些國家的軍事科研領域得到廣泛應用，如進行紅外導引頭的性能評估、成像識別算法的開發(fā)和優(yōu)化、模擬訓練等。下面介紹兩種SE－Workbench－IR的典型應用［12］。

紅外導引頭的性能評估一般采用半實物仿真的方式，而半實物仿真又分為信號注入式和熱輻射投影式。信號注入式的組成結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由圖形工作站、三軸轉(zhuǎn)臺、紅外導引頭、彈道仿真等組成，屬于復雜的、硬件在回路的閉環(huán)實時仿真方式。因此，在這種方式下，一般采用基于SE－Workbench－IR的API仿真模式，根據(jù)仿真需求建立仿真環(huán)境和仿真想定，編輯視景實時生成軟件包并加載到圖形工作站中；根據(jù)虛擬導引頭攝像機參數(shù)產(chǎn)生導引頭實時觀察圖像注入導引頭信息處理硬件中，由其實施目標處理和跟蹤，并將跟蹤狀態(tài)、跟蹤誤差角等信息發(fā)送至彈道仿真；由彈道仿真控制三軸轉(zhuǎn)臺運動模擬單體姿態(tài)，并向圖形工作站發(fā)送導引頭在視景中總的位置信息和姿態(tài)信息；圖形工作站接收到位置信息和姿態(tài)信息后傳遞給虛擬導引頭攝像機，并進行實時渲染，給出導引頭觀察圖像并注入導引頭信息處理硬件，從而實現(xiàn)閉環(huán)。這種方式具有結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)等特點，可以很好地實現(xiàn)對導引頭的性能測試。

圖3 基于SE－Workbench－IR紅外導引頭性能測試

圖4 基于SE－Workbench－IR模擬訓練紅外導引頭性能測試

模擬訓練是現(xiàn)代軍事和民用領域非常熱門的一個話題，因其具有良好的適應性和訓練效果而廣受歡迎。圖4為SE－Workbench－IR在模擬訓練領域中的一種典型方式。和導引頭性能測試不同，它將虛擬操縱者攝像機的圖像發(fā)送至視頻顯示器直接顯示出來，操縱者根據(jù)觀察圖像進行模擬操作，運動解算部分根據(jù)操縱者操縱信息進行運動解算，一方面控制三軸轉(zhuǎn)臺模擬操縱者所在的平臺姿態(tài)，另一方面向圖形工作站發(fā)送操縱者在視景中的位置信息和姿態(tài)信息；圖形工作站接收到位置信息和姿態(tài)信息后實時渲染，給出操縱者觀察圖像并發(fā)送至視頻顯示裝置進行顯示，從而實現(xiàn)閉環(huán)，達到逼真訓練的目的。

4 結(jié)論

紅外視景仿真技術可以廣泛應用在紅外導引頭的性能評估、成像識別算法的開發(fā)和優(yōu)化、無人車輛或飛行器的傳感器開發(fā)等軍事裝備研究領域，并起到節(jié)省研發(fā)成本、降低研發(fā)風險和縮短項目周期的作用，同時還可以實現(xiàn)很多由于試驗條件的不具備而無法實現(xiàn)的系統(tǒng)驗證。SE－Workbench－IR作為紅外視景仿真的專業(yè)軟件，已經(jīng)在法、德、英等多個國家得到廣泛的應用，相信隨著研究的深入，SE－Workbench－IR將會在我國軍事裝備研究領域的研究中起到越來越重要的作用。

［1］吳義明，齊歡.導彈對抗的視景仿真［J］.計算機仿真，2005（8）：01－04.

［2］周須峰.紅外目標圖像計算機生成與控制技術［D］.西安：西北工業(yè)大學，2002.

［3］郝治國.紅外動態(tài)圖像實時生成技術研究［D］.西安：西北工業(yè)大學，2006.

［4］SE－AGETIM［EB／OL］.http：／／www.oktal－se.com／.

［5］SE－PHYSICAL－MODELER ［EB／OL］.http：／／www.oktal－se.com／.

［6］SE－CLASSIFICATION［EB／OL］.http：／／www.oktalse.com／.

［7］SE－ATMOSPHERE［EB／OL］.http：／／www.oktal－se.com／.

［8］SE－THERMAL［EB／OL］.http：／／www.oktal－se.com／.

［9］SE－FAST－IR［EB／OL］.http：／／www.oktal－se.com／.

［10］SE－RAY－IR［EB／OL］.http：／／www.oktal－se.com／.

［11］SE－SCENARIO ［EB／OL］. http：／／www.oktal－se.com／.

［12］SE－TOOLKIT［EB／OL］.http：／／www.oktal－se.com／.

［13］SE－IR－SENSOR ［EB／OL］. http：／／www.oktal－se.com／.