(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201811083437.0
(22)申请日 2018.09.14
(71)申请人 清华大学
地址 100084 北京市海淀区清华园
(72)发明人 刘峰 史恒 朱纪洪
(74)专利代理机构 北京三聚阳光知识产权代理
有限公司 11250
代理人 张建纲
(51)Int.Cl.
G06F 17/50(2006.01)
G01J 5/00(2006.01)
(54)发明名称
一种基于Unity3D的空中动态红外场景仿真
(57)摘要
本发明涉及红外成像及计算机仿真领域，公
开了一种基于Unity3D的空中动态红外场景仿真
系统，包括：红外特性仿真系统、大气衰减仿真系
统、天空环境仿真系统、探测器接收成像系统；所
时间模块；所述探测器接收成像系统，包含辐射
强度转化模块、噪声处理模块、综合成像模块；仿
真系统实现方法如下：1、创建三维模型并计算红
外辐射特性；2、创建大气透射率数据库；3、创建
动态天空环境；4、模拟探测器接收单元及仿真系
红外特性，结合新一代图形引擎Unity3D，融合复
杂天空模型，仿真生成的红外视频更加接近于实
拍，为后续红外目标检测与跟踪生成大量测试视
频。权利要求书2页 说明书5页 附图4页CN 109446553 A 2019.03.08
C N 109446553
A
1.一种基于Unity3D的空中动态红外场景仿真系统，其特征在于，所述系统包括如下子系统：红外特性仿真系统、大气衰减仿真系统、天空环境仿真系统、探测器接收成像系统；
所述红外特性仿真系统，用于模拟空中导弹目标在不同飞行状态下的红外辐射特性；
所述大气衰减仿真系统，用于模拟不同地区、季节、天气等因素条件下大气对红外电磁波的透射特性；
所述天空环境仿真系统，包含天空模块、云朵模块、时间模块，用于模拟复杂多变的天空环境；
所述探测器接收成像系统，包含辐射强度转化模块、噪声处理模块、综合成像模块，用于显示可视化仿真场景。
2.根据权利要求1所述的基于Unity3D的空中动态红外场景仿真系统，其特征在于，所述红外特性仿真系统，对典型空中导弹目标三维建模，计算导弹模型在不同飞行速度情况下，不同部位的相对流速、温度，并与流体计算软件所得数据对比；考虑导弹材料辐射率，计算不同部位的导弹红外辐射特性。
3.根据权利要求1所述的基于Unity3D的空中动态红外场景仿真系统，其特征在于，所述大气衰减仿真系统，根据MODTRAN(中等光谱分辨率大气透过率及辐射传输算法和计算模型)构建不同地区、维度、季节、天气以及不同气体分子含量条件下的大气透射率数据库。
4.根据权利要求1所述的基于Unity3D的空中动态红外场景仿真系统，其特征在于，所述天空环境仿真系统包含天空模块、云朵模块、时间模块；所述天空模块包含基于物理模型的天空阴影以及采用了瑞利和三重散射；所述云朵模块采用了基于物理模型的云遮蔽技术以及可以通过风速、风向等参数设定来调整云朵的移动；所述时间模块包含一天24小时的时间轴线、一年不同季节的时间轴线，同时可以通过设置纬度、气候类型来模拟真实的天空场景。
5.根据权利要求1所述的基于Unity3D的空中动态红外场景仿真系统，其特征在于，所述探测器接收成像系统，包含辐射强度转化模块、噪声处理模块、综合成像模块；所述辐射强度转化模块，将探测器单元接收到的辐射强度转化为屏幕显示亮度；所述噪声处理模块，通过编写噪声处理脚本Noise Effect、景深特效处理脚本Depth of field、光晕效果处理脚本Sun Shaft来实现噪声、光晕、模糊处理；所述综合成像
模块，基于图形引擎Unity3D中的Shader(着器)，采用CG/HLSL语言编写，将所述屏幕显示亮度转化为灰度信息，再与网格、贴图、颜等信息相互结合计算，传给所述导弹模型，显示可视化仿真场景。
6.根据权利要求1所述的基于Unity3D的空中动态红外场景仿真系统，其特征在于，实现步骤如下：
步骤1、创建三维模型并计算红外辐射特性：
步骤1-1：根据典型空中导弹目标的三维尺寸数据，在3DMAX建模软件中按照1:1的尺寸创建导弹三维模型，根据导弹材料数据渲染模型，并导入图形引擎Unity3D中；
步骤1-2：在Unity3D中新建C#程序，计算导弹目标不同飞行速度下不同部位的蒙皮驻点温度，并根据斯特藩-玻尔兹曼定律计算红外辐射出射度，计算红外辐射功率；
步骤2、创建大气透射率数据库：
在Unity3D中新建C#程序，根据MODTRAN(中等光谱分辨率大气透过率及辐射传输算法和计算模型)计算不同地区、维度、季节、天气以及不同气体分子含量条件下的大气透射率，
构建数据库；
步骤3、创建动态天空环境：
在Unity3D中，导入动态插件TOD sky dome，插件包含天空模块、云朵模块、时间模块，新建C#程序实时调用、修改插件的模型参数，模拟真实的天空场景；
步骤4、模拟探测器接收单元及仿真系统可视化：
步骤4-1：在Unity3D中新建C#程序，计算导弹目标经过大气衰减到达探测器的辐射强度，将探测器单元接收到的辐射强度转化为屏幕显示亮度，完成辐射强度转化模块；
步骤4-2：在Unity3D中新建C#程序，编写噪声处理脚本Noise Effect、景深特效处理脚本Depth of field、光晕效果处理脚本Sun Shaft来实现噪声、光晕、模糊处理，完成噪声处理模块；
步骤4-3：在Unity3D中新建Shader(着器)脚本，采用CG/HLSL语言编写，将所述屏幕显示亮度转化为灰度信息，再与Mesh(网格)、贴图、颜等信息相互结合计算，传给导弹模型；在Unity3D中新建C#程序，控制导弹飞行参数以及场景可视化，完成综合成像模块。
一种基于Unity3D的空中动态红外场景仿真系统
技术领域
[0001]本发明涉及红外成像及计算机仿真领域，特别涉及一种导弹目标与红外场景的仿真系统，该方法适用于复杂环境下红外目标检测与跟踪。
背景技术
[0002]在机载红外探测、对陆海红外监测、红外导引头制导等相关系统研发时，需要大量的红外仿真数据用于开发测试。但是，红外图像生成困难，成本高昂，尤其是获取大量高速移动的导弹、飞机的红外图像较为困难，因此该类图像主要依赖于仿真生成。
[0003]在红外目标与场景仿真任务中，国内起步较晚因此性能有限，传统红外仿真系统存在以下问题：
[0004]第一，传统红外仿真系统并不是真正意义上的红外仿真，而是在可见光仿真的基础上叠加红外纹理图像信息，与红外波段的纹理有一定差异。
[0005]第二，现有软件主要用于单帧红外图像进行仿真，实时性不足，不适用于动态场景。
[0006]第三，现有软件针对空战中红外场景的仿真较少，特别是缺乏复杂环境特征。[0007]第四，现有软件未考虑大气中气体分子、气溶胶、雨雪等气象粒子对电磁波的吸收，以及未考虑接收端探测器光学元件噪声的影响。
发明内容
[0008]针对现有红外仿真软件存在上述问题，本发明对典型空中目标进行精确红外建模，考虑温度辐射
、复杂天气场景、大气衰减、探测器特性等因素，结合新一代Unity3D图形引擎，完成空中动态红外场景仿真系统。该方法提升了空战中红外目标的准确度，所生成红外视频将用于后续导引头红外目标检测与跟踪。
[0009]一种基于Unity3D的空中动态红外场景仿真系统，所述系统包括如下子系统：红外特性仿真系统、大气衰减仿真系统、天空环境仿真系统、探测器接收成像系统；所述红外特性仿真系统，用于模拟空中导弹目标在不同飞行状态下的红外辐射特性；所述大气衰减仿真系统，用于模拟不同地区、季节、天气等因素条件下大气对红外电磁波的透射特性；所述天空环境仿真系统，包含天空模块、云朵模块、时间模块，用于模拟复杂多变的天空环境；所述探测器接收成像系统，包含辐射强度转化模块、噪声处理模块、综合成像模块，用于显示可视化仿真场景。
[0010]所述红外特性仿真系统，对典型空中导弹目标三维建模，计算导弹模型在不同飞行速度情况下，不同部位的相对流速、温度，并与流体计算软件所得数据对比；考虑导弹材料辐射率，计算不同部位的导弹红外辐射特性。
[0011]所述大气衰减仿真系统，根据MODTRAN(中等光谱分辨率大气透过率及辐射传输算法和计算模型)构建不同地区、维度、季节、天气以及不同气体分子含量条件下的大气透射率数据库。
[0012]所述天空环境仿真系统包含天空模块、云朵模块、时间模块；所述天空模块包含基于物理模型的
天空阴影以及采用了瑞利和三重散射；所述云朵模块采用了基于物理模型的云遮蔽技术以及可以通过风速、风向等参数设定来调整云朵的移动；所述时间模块包含一天24小时的时间轴线、一年不同季节的时间轴线，同时可以通过设置纬度、气候类型来模拟真实的天空场景。
[0013]所述探测器接收成像系统，包含辐射强度转化模块、噪声处理模块、综合成像模块；所述辐射强度转化模块，将探测器单元接收到的辐射强度转化为屏幕显示亮度；所述噪声处理模块，通过编写噪声处理脚本Noise Effect、景深特效处理脚本Depth of field、光晕效果处理脚本Sun Shaft来实现噪声、光晕、模糊处理；所述综合成像模块，基于图形引擎Unity3D中的Shader(着器)，采用CG/HLSL语言编写，将所述屏幕显示亮度转化为灰度信息，再与网格、贴图、颜等信息相互结合计算，传给所述导弹模型，显示可视化仿真场景。[0014]基于Unity3D的空中动态红外场景仿真系统，实现步骤如下：
[0015]步骤1、创建三维模型并计算红外辐射特性：
[0016]步骤1-1：根据典型空中导弹目标的三维尺寸数据，在3DMAX建模软件中按照1:1的尺寸创建导弹三维模型，根据导弹材料数据渲染模型，并导入图形引擎Unity3D中；[0017]步骤1-2：在Unity3D中新建C#程序，计算导弹目标不同飞行速度下不同部位的蒙皮驻点温度，并根据斯特藩-玻尔兹曼定律计算红外辐射出射度，计算红外辐射功率；[0018]步骤2、创建大气透射率数据库：
[0019]在Unity3D中新建C#程序，根据MODTRAN(中等光谱分辨率大气透过率及辐射传输算法和计算模
型)计算不同地区、维度、季节、天气以及不同气体分子含量条件下的大气透射率，构建数据库；
[0020]步骤3、创建动态天空环境：
[0021]在Unity3D中，导入动态插件TOD sky dome，插件包含天空模块、云朵模块、时间模块，新建C#程序实时调用、修改插件的模型参数，模拟真实的天空场景；
[0022]步骤4、模拟探测器接收单元及仿真系统可视化：
[0023]步骤4-1：在Unity3D中新建C#程序，计算导弹目标经过大气衰减到达探测器的辐射强度，将探测器单元接收到的辐射强度转化为屏幕显示亮度，完成辐射强度转化模块；[0024]步骤4-2：在Unity3D中新建C#程序，编写噪声处理脚本Noise Effect、景深特效处理脚本Depth of field、光晕效果处理脚本Sun Shaft来实现噪声、光晕、模糊处理，完成噪声处理模块；
[0025]步骤4-3：在Unity3D中新建Shader(着器)脚本，采用CG/HLSL语言编写，将所述屏幕显示亮度转化为灰度信息，再与Mesh(网格)、贴图、颜等信息相互结合计算，传给导弹模型；在Unity3D中新建C#程序，控制导弹飞行参数以及场景可视化，完成综合成像模块。[0026]本发明的优点在于：
[0027](1)建模时计算红外波段内导弹的辐射波长与功率，相对传统可见光基础上叠加红外纹理提升了仿真准确度。
[0028](2)可连续生成导弹在不同情景下红外视频，相对于传统单帧红外图像仿真系统提高了实时性。
[0029](3)建立动态天空模型，模拟一年四季，一天24小时，不同天气、风速、云朵移动天
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