基于硬件管线加速的实时红外成像仿真方法及系统.pdf

(19)国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN114898040A(43)申请公布日2022.08.12(21)申请号202210499191.5(22)申请日2022.05.09(71)申请人南京理工大学地址210094江苏省南京市孝陵卫200号(72)发明人李蔚清王超群(74)专利代理机构南京理工大学专利中心32203专利代理师陈鹏(51)Int.Cl.G06T17/00(2006.01)G06T15/00(2011.01)G06T15/04(2011.01)G06T15/06(2011.01)G06F30/10(2020.01)G06F30/20(2020.01)权利要求书2页说明书6页附图2页(54)发明名称基于硬件管线加速的实时红外成像仿真方法及系统(57)摘要本发明公开了一种基于硬件管线加速的实时红外成像仿真方法及系统，方法步骤如下：预计算红外仿真过程中所需的数据，使用实时光线追踪硬件渲染管线计算红外仿真场景中的辐射分布，模拟红外成像设备的探测器效应，生成最终的红外仿真图像。本发明可以通过使用预计算的红外数据作为输入，基于渲染管线中的实时光线追踪技术的加速，可实时仿真生成场景的红外图像。CN114898040ACN114898040A权利要求书1/2页1.一种基于硬件管线加速的实时红外成像仿真方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、预计算红外仿真过程中所需的数据，包括仿真背景和目标的温度场、表面材质参数、仿真时段的太阳辐射、环境辐射、大气透过率和路径辐射，制作成纹理图像；步骤2、使用实时光线追踪硬件渲染管线，计算红外仿真场景中的辐射分布；步骤3、模拟红外成像设备的探测器效应；步骤4、生成最终的红外仿真图像。2.根据权利要求1所述的基于硬件管线加速的实时红外成像仿真方法，其特征在于，所述的预计算红外仿真过程中所需的数据，具体如下：对仿真背景和目标进行建模，并对其表面材质进行划分，计算出对应模型的温度场数据；计算出仿真过程中场景的太阳辐射、环境辐射、大气透过率和路径辐射数据。3.根据权利要求1所述的基于硬件管线加速的实时红外成像仿真方法，其特征在于，所述的使用实时光线追踪硬件渲染管线，计算红外仿真场景中的辐射分布，具体方法为：步骤2.1、在渲染引擎的实时光线追踪渲染管线中，添加全局的RenderTarget对象，用于存放预计算的纹理查找表；添加Uniform变量，将其关联到RenderTarget对象，当程序加载预计算数据后，渲染管线中的着色器通过关联的Uniform变量访问到预计算的纹理查找表；仿真开始时，加载步骤1中预计算的仿真数据，并开始生成光线向场景中发射并进行追踪；步骤2.2、当光线与模型表面相交时，通过物体的材质纹理，获取到物体表面点处的材质编号信息，结合输入的温度纹理，按照自身发射率乘以对应温度的黑体的辐射来计算物体的自发辐射；步骤2.3、计算物体接受到的太阳辐射、环境辐射；预计算的太阳辐射数据格式为物体在不同海拔和与太阳成不同天顶角时太阳的辐射值；预计算的环境辐射值为在不同天顶角观察场景受到的环境辐射值；仿真过程中根据物体的位置和观察位置查询预计算数据得到这两项的值；步骤2.4、根据实时光线追踪渲染管线，当光线命中场景中物体表面时，根据光线的入射方向、物体表面的材质信息，算得光线的出射方向和半角向量信息，通过Sandford‑RobertsonBRDF求反射出去的辐射能量；继续追踪反射出去的光线，求其在场景中传输的能量传播，直至光线被吸收或者超过限定的反射次数；步骤2.5、仿真场景中物体的红外辐射由以上步骤算得的结果进行加和。4.根据权利要求3所述的基于硬件管线加速的实时红外成像仿真方法，其特征在于，物体的自身辐射为：Le(p→ωo)＝εMBLe(p→ωo)表示物体表面p点向ωo方向发出的自发辐射亮度项，ε为物体的波段发射率，MB表示对应温度的黑体辐射出射度；预计算数据中包括黑体辐射出射度与温度的映射关系，计算该项时通过查表得出对应温度黑体的辐射出射度。5.根据权利要求4所述的基于硬件管线加速的实时红外成像仿真方法，其特征在于，步骤2.5中，仿真场景中物体的红外辐射由以上步骤算得的结果进行加和，即：2CN114898040A权利要求书2/2页式中Le(p→ωo)表示物体上点p向ωo方向的自辐射，Le(p→ωo)表示物体表面p点向ωo方向发出的自发辐射亮度项，π为圆周率，ρd_env为漫反射率，Eenv(p)和Esun(p)表示环境辐射和太阳辐射在单位面积上的辐射功率，Li(p←ωi)表示其它辐射源的影响，fr(p，ωi→ωo)为BRDF项；(n·ωi)表示物体表面点法线和入射光线的余弦值，p(ωi)表示入射光的分布函数；算得的能量在计算中考虑大气透过率和传输过程中受到的路径辐射，式中τ