红外视景仿真关键技术研究

发布时间：2017-05-13 09:23

  本文关键词：红外视景仿真关键技术研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：红外视景仿真技术可以逼真地生成各种复杂环境和干扰条件下目标与背景的红外图像，为光电成像系统设计和场景分析、产品测试提供环境和数据，缩短相关产品的研发周期和节约实验费用等。国外对此类软件和技术有严格的出口限制，而国内对此又有强烈的需求，为此，本文研究了三维红外视景仿真中的关键技术并进行了视景仿真系统的算法优化，研制了初步的红外视景仿真软件。本文完成的主要工作如下： (1)针对目前红外视景仿真模型中红外光照模型的问题，在预测景物热物理特征的基础上，，改进了一种基于可见光Blinn-Phong反射模型的红外光照模型。模型充分考虑了场景中各种辐射源与物体表面间辐射能量的传递关系，并以此来计算物体的辐射强度。在景物红外高光模拟中，提出一种基于景物几何特征的反射区域辐射能量计算方法来确定该点的辐射出射度，且该方法可以描述景物高光区域随视点变化的动态过程。 (2)针对三维红外视景仿真中较大规模背景场景红外纹理仿真缺乏有效方法问题，提出一种基于可见光图像的红外图像纹理生成方法。在将景物三维导热问题简化为一维导热处理的基础上，建立了景物表面热平衡方程并由其求解一天中不同时刻的均值温度。同时，以相应景物的可见光图像为参照，基于同景物的红外图像温度分布范围，确定红外图像的灰度分布关系，并将对应景物温度分布偏差的灰度信息叠加在相关景物上，构成对应景物的红外图像纹理。 (3)基于图像金字塔降质原理，提出一种基于景物空间频率变化的红外图像纹理生成模型。模型以成像系统探测器限制的奈奎斯特频率为依据，以景物成像距离为景物空间频率变化参量进行空间滤波，对零视距景物纹理进行高频衰减，同时，按照热成像系统最小可分辨温差(MRTD)进行灰度再现，仿真对应场景的红外图像纹理。 (4)研究了以数据库查找表作为红外视景仿真数据的管理方法，通过查找数据库存储的表征场景景物几何数据、热物理特征数据、光学特性数据等各类信息，可为红外仿真提供方便的数据源，并存储场景参数改变后计算的中间结果，避免了场景复现时的重复计算。 在上述红外视景仿真关键技术基础上，研发了三维红外视景仿真软件，并进行了初步的红外成像仿真模拟，为后继的进一步研发工作创造了条件。
【关键词】：红外视景仿真 热物理特征 红外光照模型 红外图像纹理 空间频率 特征数据管理
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP391.41;O434.3
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 第1章 绪论13-28
• 1.1 研究背景及意义13-15
• 1.2 国内外研究现状15-25
• 1.2.1 国外研究现状15-20
• 1.2.2 国内研究现状20-25
• 1.2.3 现存问题和不足25
• 1.3 主要研究内容与结构安排25-28
• 第2章 地物热物理特征计算及分析28-52
• 2.1 物体红外特性概述28-30
• 2.1.1 黑体和发射率28-29
• 2.1.2 温度29-30
• 2.2 地物温度热传导方程30-32
• 2.2.1 热传导方程30-31
• 2.2.2 热传导方程的边界条件31
• 2.2.3 地物表面能量平衡方程31-32
• 2.3 影响地物表面温度相关因素及分析32-39
• 2.3.1 气温的变化33
• 2.3.2 环境相对湿度变化33-34
• 2.3.3 太阳短波辐照度34-36
• 2.3.4 大气长波辐射36-37
• 2.3.5 地物自身的辐射37
• 2.3.6 显热交换通量37
• 2.3.7 潜热交换通量37-38
• 2.3.8 地物表面热传导通量38-39
• 2.4 地物温度模拟参数及实测数据39-43
• 2.4.1 地物温度模拟参数39
• 2.4.2 测温仪校正39-42
• 2.4.3 实测数据42-43
• 2.5 温度模拟及分析43-51
• 2.5.1 地表温度模拟及分析43-49
• 2.5.2 壁面温度模拟及分析49-51
• 2.6 本章小结51-52
• 第3章 基于 BLINN-PHONG 模型的红外光照模型及高光特性模拟52-78
• 3.1 基于 Blinn-Phong 的红外光照模型53-62
• 3.1.1 双向反射分布模型53-57
• 3.1.2 可见光光照模型57-58
• 3.1.3 基于 Blinn-Phong 的红外光照模型58-62
• 3.2 基于景物几何特征的红外高光反射模拟62-66
• 3.2.1 高温物体贡献点的判断63-65
• 3.2.2 红外高光反射模拟过程65-66
• 3.3 辐射能量与红外仿真图像灰度的映射66
• 3.4 实验结果与分析66-76
• 3.4.1 红外高光模拟及分析66-70
• 3.4.2 自然地物模拟及分析70-72
• 3.4.3 红外成像系统效应模拟72-76
• 3.5 本章小结76-78
• 第4章 红外图像纹理生成模型78-101
• 4.1 基于可见光图像的红外图像纹理仿真79-90
• 4.1.1 红外物理纹理模型79-80
• 4.1.2 单一组分景物的红外图像纹理模拟80-84
• 4.1.3 混合组分景物的红外图像纹理模拟84-89
• 4.1.4 结论89-90
• 4.2 基于景物空间频率的红外图像纹理生成模型90-95
• 4.2.1 图像金字塔90-91
• 4.2.2 基于距离信息的空间频率滤波91-93
• 4.2.3 基于最小可分辨温差(MRTD)的红外纹理图像滤波93-95
• 4.3 实验结果及分析95-99
• 4.3.1 红外纹理仿真图像与实拍图像的对比及分析95-98
• 4.3.2 红外纹理仿真图像与直接缩放仿真图像对比及分析98-99
• 4.4 本章小结99-101
• 第5章 基于数据库查表法的仿真数据管理及红外视景仿真软件101-121
• 5.1 基于数据库查表法的仿真数据管理102-106
• 5.1.1 数据库查找表103-105
• 5.1.2 图像绘制流程105-106
• 5.2 红外视景仿真系统106-108
• 5.2.1 系统目标106-107
• 5.2.2 技术方案107
• 5.2.3 功能模块划分107-108
• 5.3 红外视景仿真系统主要模块108-114
• 5.3.1 场景几何模型109-110
• 5.3.2 摄像机110
• 5.3.3 基础数据维护110-111
• 5.3.4 模型导入111-112
• 5.3.5 场景保存112
• 5.3.6 场景几何参数设置112
• 5.3.7 场景红外特性参数设置112-113
• 5.3.8 数据预处理113
• 5.3.9 红外视景仿真生成113-114
• 5.3.10 场景加载114
• 5.4 红外视景仿真示例114-120
• 5.5 本章小结120-121
• 结论与展望121-125
• 参考文献125-137
• 符号表137-141
• 致谢141-143
• 博士期间发表的文章和科研情况143

【参考文献】

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本文编号：362173