王学伟08基于增强现实的动态红外视景生成研究J汇总.docx

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王学伟08基于增强现实的动态红外视景生成研究J汇总

第37卷,增刊红外与激光工程

2008年6月Vol.37Supplement

InfraredandLaserEngineering

Jun.2008

收稿日期:

2008-06-16

作者简介:

王学伟（1973-,男,山东青州人,副教授,博士,主要从事导弹制导、光电成像制导仿真、图像信息处理等领域的研究。

x@基于增强现实的动态红外视景生成研究

王学伟,周晓东

（海军航空工程学院控制工程系,山东烟台264001

摘要:

动态红外视景生成是红外成像制导半实物仿真的关键,将基于增强现实的虚拟场景技术应用于动态红外视景生成中,可以有效地提高生成的红外场景的真实感,减少自然背景模拟的复杂程度。

关键词:

增强现实;动态红外视景生成;半实物仿真中图分类号:

TP391.9

文献标识码:

A

文章编号:

1007-2276（2008增（红外-0358-04

Dynamicinfraredscenegenerationbasedonrealityaugmentedreality

WANGXue-wei,ZHOUXiao-dong

（ControllingEngineeringDept,NavalAeronauticalEngineeringInstitute,Yantai264001,China

Abstract:

Dynamicinfraredscenegenerationisthekeyissueofthehardware-in-the-loopsimulationoftheinfraredguiding.Itcanimprovethefacticityofthesceneandreducethecomplexityofthenaturalbackgroundtoapplytheaugmentedreality.

Keywords:

Augmentedreality;Dynamicinfraredscenegeneration;Hardware-in-the-loopsimulation

0引言

红外视景生成可以为红外成像制导半实物仿真提供各种不同的战场环境,是仿真的关键技术。

红外视景生成技术分为动态模式和“电影”回放模式[1],前者是指在闭环系统中,生成的红外视景根据探测系统视场的变化,及时提供相应的场景图像,使场景与探测系统对投影图像的反应相一致。

后者是在仿真运行前,非实时地计算出一系列2D图像,然后再以“电影”回放的形式将这一图像序列显示给被测系统。

显而易见,动态模式下的红外视景生成更能充分模拟红外制导武器的真实作战环境,是红外视景生成技术的主要发展方向。

目前红外视景生成研究中的难点在可信度、实时性和逼真性。

如舰空导弹,其目标包括飞机、导弹,其背景包括云天、海面。

飞机导弹可以进行三维建模,然后计算其红外辐射强度、形成灰度等级、最后设计

目标的运动状态,具有较高的可信度。

但是对海天背景的建模如果注重图像细节的高可信度,很难符合动态红外场景生成的实时性要求。

同时,由于背景的随机性,通常的基于经验公式的背景红外辐射精度很难保证。

因此考虑在红外视景生成中引入增强现实技术,即将计算机生成的红外目标叠加在现实拍摄到的红外背景上,以满足动态视景生成模式对可信度、实时性和逼真性的要求。

1增强现实简述

增强现实（AR技术[2-6]是借助计算机图形技术

和可视化技术产生现实环境中不存在的虚拟对象,并通过传感技术将虚拟对象准确放置。

在真实环境中,借助显示设备将虚拟对象与真实环境融为一体,并呈现给用户一个感官效果真实的新环境。

因此增强现实系统具有虚实结合、实时交互、三维注册的新特点。

Email:

ueweiwangsohu.com

增刊王学伟等:

基于增强现实的动态红外视景生成研究359增强现实技术是随着虚拟现实（VR技术的发

展而产生的,因此两者间存在着不可分割的密切关系,但也有着显著的差别。

AR与VR在浸没感的要求上有明显的区别:

VR系统强调用户在虚拟环境中的视觉、听觉、触觉等感官的完全浸没,强调将用户的感官与现实世界绝缘而沉浸在一个完全由计算机所控制的信息空间（Syberspace之中。

与之相反,AR系统不仅不隔离周围的现实环境,而且强调用户在现实世界的存在性并努力维持其感官效果的不变性。

AR系统致力于将计算机产生的虚拟环境与真实环境融为一体,从而增强用户对真实环境的理解。

在动态红外视景生成过程中,借助增强现实技术,可以将仿真生成的红外目标放置于真实的红外背景中,来提高逼真度。

使用红外热像仪拍摄的海天红外实景图像来生成红外背景图像,可以解决海天背景生成的精度和实时性问题。

2基于实景图像的背景生成技术

虚拟现实技术能生成一个可操纵的虚拟环境,采用计算机图形技术是构造这样的虚拟环境的方法之一。

首先对真实世界进行抽象,从而建立起它的三维几何模型,一般用多边形表示。

在给定观察点和观察方向以后,利用计算机由模型实现多边形绘制着色、消隐、光照以及投影等一系列过程,产生虚拟场景。

但这种方法存在以下的问题:

一是对计算机的性能要求高。

目前最快的图形工作站每秒钟绘制标准三维多边形的数目在百万数量级,而构造一些复杂场景往往需要数亿个标准三维多边形。

为了能满足虚拟环境的实时性要求,只能减轻场景的复杂度,降低虚拟场景的视觉效果。

二是对复杂场景来说,建模工作相当费时费力。

而基于实景图像的虚拟现实系统恰好能解决这些问题。

使用实景图像生成虚拟背景[7-12],是按以下步骤生成的:

首先利用采集的离散图像或连续的视频作为基础数据,经过处理形成360°柱面全景图像。

然后,通过合适的空间模型把多幅全景图像组织为虚拟实景空间。

用户在这个空间中可以前进、后退、360°环视、仰视、俯视、近看、远看等操作,就像进入到实际的空间一样。

虚拟实景空间具有如下优点:

（1不需要硬件加速就能在PC机上实时运行。

（2不依赖于特殊的设备,如头盔显示器等。

（3能显示高质量图像,且处理时间与场景复杂度无关。

3红外目标模拟技术

目前国内外通常使用的理论建模方法是基于面元的三维模拟方法,如Hyun-KiHong等提出的热像生成方法[13],国内上海交通大学等采用有限元的三维模型方法实现对舰船目标的红外模拟[14],以及海军航空工程学院等采用3DSMAX生成三维几何模型对目标进行三维模拟的方法[15-16]。

基于面元的三维模拟方法根据目标的结构材料和温度情况,将目标分成许多具有简单形状的单元部分,每个单元外形可由许多三角形面元结构组成,每一个小平面用三角形三个顶点来确定,并拥有一个法向向量和一个探测器间的视线向量,将这些数据分类并计入数据文件。

根据探测器的观察角度、高度、各面元结构到探测器的距离,经过坐标传输,对各面元结构进行隐藏线遮挡处理,生成目标的几何视图。

目标几何视图建立后,还必须赋以一定的灰度值来表示目标的红外辐射特征,形成目标的零视距离辐射图,也就是未经大气传输前的辐射图。

确立目标的辐射图是一个较为复杂的处理过程,由于目标的红外辐射不仅与目标自身材料、结构、热特性参量有关,还与大气、目标周围环境及过去的热状态有关,因此确立目标的温度分布或辐射状态比较困难。

一般是建立三维传热方程,用有限差分法求解出目标的温度分布。

预测出目标表面的温度分布后,可将目标几何视图转变为目标表面的辐射分布图。

基于面元的三维模拟方法计算量较大,但只要方程合理,能够将不同天气、环境下的温度计算出。

目前有许多成熟的基本温度预测模型可供使用,如PRISM[17]是详尽的三维热模型,用于地面车辆的温度/辐射计算,当给出目标的内外热源、材料、结构、大气状态等参数,就能计算出目标的温度分布。

同样,也有用于计算空中目标的模型SPIRITS和海洋目标温度的IRENE模型。

4使用增强现实技术动态生成虚拟视景

AR系统虽不需要显示完整的场景,但是由于需要通过分析大量的定位数据和场景信息来保证由计算机生成的虚拟物体可以精确地定位在真实场景中,因此,AR系统中一般都包含以下4个基本步骤:

（1

360红外与激光工程:

红外成像系统仿真、测试与评价技术第37卷

获取真实场景信息;（2对真实场景和相机位置信息进行分析;（3生成虚拟景物;（4合成场景或直接显示（如图1所示,即图形系统首先根据相机的位置信息和真实场景中的定位标记来计算虚拟物体坐标到相机视平面的仿射变换,然后按照仿射变换矩阵在视平面上绘制虚拟物体,最后直接通过S-HMD显示或与真实场景的视频合并后,一起显示在普通显示器上。

AR系统中,成像设备、跟踪与定位技术和交互

技术是实现一个基本系统的支撑技术。

图1AR系统基本流程Fig.1

ARsystemflowchart

4.1跟踪与定位系统

由于要实现虚拟和现实物体完美结合,必须将虚拟物体合并到现实世界中的准确的位置,这个过程常称为配准（registration,因此AR跟踪定位系统必须能够实时地检测观察者在场景中的位置、观察者头部的角度,甚至是运动的方向,以便用来帮助系统决定显示何种虚拟物体,并按照观察者的视场重建坐标系。

4.2视频检测方法

用视频检测方法进行定位不需要其他设备,且定位精确,因此是AR系统中最常见的定位方法。

在视频检测方法中,系统常通过匹配事先定义好的多种图形模板来标记各种物体和基准位置。

简单的模板匹配不仅可以提高图像识别的效率,而且可以达到实时性的要求。

视频检测中使用的标记一般由黑色封闭的矩形框和内部的各种图形或文字这两部分构成,其中黑色封闭的矩形框可以使程序在视频场景中快速识别是否存在标记,其内部的图形或文字可以表示标记的具体信息,如表示何种目标或在此应显示何种虚拟物体。

这样当系统场景中的定位标记被识别后,根据图形的仿射不变性原理,就可以重建从预定义标记到当前场景中标记的坐标转移矩阵;然后系统就可以根据这个转移矩阵来绘制虚拟物体,并进行渲染。

5红外视景的实时生成问题

生成具有高逼真度的动态红外场景的计算量较

大,红外图像的生成和显示的实时性就成为首要要求。

动态红外场景的实时性体现在:

运动体的位置、姿态的实时计算和动态绘制,画面更新即帧频必须达到一定要求,对于人的交互动作相应时间不能大于0.1s,场景生成的实时性,与红外场景生成的软硬件有关,取决于系统运算速度、算法的有效性、目标模型的复杂程度。

（1在保证系统要求逼真度情况下减少建模的复杂程度。

目标模型面元数越多,所生成的模型越逼真,但辐射度的计算和实时绘制速度大大减慢,因此提高实时性与真实感存在矛盾。

通常的做法是保证系统要求逼真度的情况下,建立几何模型时进行合理简化,对于远近距离不同、红外特征不同等情况分别进行考虑、简化;也采用单元分割以及内存管理技术来

提高系统运行速度。

（2离线和在线相结合的计算方式。

将运动路径上的大气透过率、目标的红外光谱图像等计算量大的部分先离线计算好,而将合成和传输等计算量相对较小的或必须动态计算的部分采用在线计算。

（3提高算法的有效性。

目前的实时图形绘制算法主要在实时消隐技术、场景简化技术和图形绘制技术3方面展开,其中消隐是实时图形绘制中最费时的部分。

为保证实时性,在不影响逼真度的前提下,优化3方面算法,减少计算时间,提高算法的有效性。

（4尽量采用图形加速卡等硬件加速模式,OpenGL的大部分功能可以由硬件实现,仅有少量功能由操作系统完成,能极大提高实时性。

6结束语

增强现实技术已成为虚拟现实技术的一个重要

的发展方向,而基于实景图像的虚拟现实技术,随着全景图像生成、纵平移平滑过渡、状态相关的预测路径全景图像缓冲机制等关键技术的逐渐解决成熟,也将是值得探讨研究的论题。

将这些先进技术引入动态红外视景生成领域,必将有着深远的应用前景。

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