红外场景仿真技术研究及仿真系统开发

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1、红外场景仿真技术研究及仿真系统开发汪昊2015年12月中图分类号：TN215UDC分类号：535.2红外场景仿真技术研究及仿真系统开发作者姓名汪昊学院名称光电学院指导教师王霞副教授答辩委员会主席张智诠教授申请学位工学硕士学科专业光学工程学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2016年1月ResearchonInfraredSceneSimulationandtheDevelopmentofSimulationSystemCandidateName：HaoWangSchoolorDepartment:School

2、ofOptoelectronicsFacultyMentor:AssociateProf.XiaWangChair,ThesisCommittee：Prof.ZhiquanZhangDegreeApplied:MasterofEngineeringMajor：OpticalEngineeringDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence：Jan，2016研究成果声明本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行的研究工作获得的研究成

3、果。尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京理工大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此申明。签名：日期：北京理工大学硕士学位论文摘要红外成像系统目前在军事领域获得了广泛应用，考虑到应用环境的复杂性，必须进行成像系统性能评价。红外场景仿真技术能够模拟不同型号的成像系统，在不同的气象环境下，对不同场景成像时的效果图，进而对成像系统性能进行综合评估

4、。但是随着应用的深入，对仿真图像细节的表现度，辐射计算的准确性，以及计算效率都有了进一步要求。针对这一需求，开展了红外场景仿真的理论分析和技术研究工作，在此基础上开发了仿真系统。首先根据红外成像过程，分析了红外场景仿真的基本组成部分，给出了虚拟场景构建，辐射计算，大气传输以及红外成像系统等模块的基本模型，并对仿真过程中需要的数据进行了总结。针对温度分辨率、热阴影和计算效率的要求，提出了基于OptiX的自然场景并行温度场计算方法。它利用了GPU的并行计算能力，相对于传统的串行CPU运算，能够显著提高计算效率。同

5、时，利用了OptiX的光线追迹能力，能够表现由于太阳光遮挡形成的热阴影。此外，采用了材质纹理映射与温度纹理反向映射的方式提高了温度分辨率。在辐射计算上提出了多路径并行光线追迹算法，它能够对半球空间进行充分采样，进而提高红外辐射计算精度。另外，采用了蒙特卡罗积分和重要性采样方法来加快辐射计算收敛速度。面对实时性的要求，开发了基于OSG的红外场景仿真系统，采用了可编程渲染语言GLSL进行辐射计算编程，能够根据需要灵活设计辐射算法。仿真结果表明开发的基于OptiX的并行温度计算方法具有较好的温度分辨率，且能表现热阴

6、影效果，理论分析表明温度计算结果与自然变化规律较为一致。多路径并行光线追迹渲染算法理论计算结果与实际仿真结果对比分析可知，如果用于重要性采样的概率密度函数较为准确，则误差较低。基于OSG的红外场景仿真系统能够用于大范围场景的仿真，且具有较好的实时性。本文对红外场景仿真技术方面的研究在一定程度上弥补了现有研究的不足，为后续进行更深入的研究起到了推动作用。关键词：红外场景仿真，红外成像系统性能评价，并行温度场计算，多路径光线追迹，实时仿真系统I北京理工大学硕士学位论文AbstractInfraredimaging

7、systemhasbeenwidelyexploitedinthemilitaryfield,whichdeterminesitisnecessarytoconductperformanceevaluationbecauseofthecomplicatedapplicationsituation.Infraredscenesimulationcangenerateimagesacquiredindifferentweatherconditionwithdifferentinfraredcameras,whic

8、hcanbeusedforcomprehensiveperformanceevaluation.Astheapplicationbroadens,anincreasingrequirementforimageswithmorethermaldetail,moreaccurateintermsofradiationandhighercomputationalefficiencycontinuestob