基于GPU的虚拟战场红外仿真技术研究

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1、基于GPU的虚拟战场红外仿真技术研究管莉张胜超郝重阳2009-9-4关键字：图形处理器红外图像视景仿真红外辐射计算模型实吋红外视景仿真已成为红外成像武器系统设计与评估的重要方法，在军事和国民经济屮有着广泛的应用前景。红外仿真的关键环节在于红外视景图像的生成，提出了一种基于GPU实现红外辐射计算模型的方法，将辐肘传榆模型中温度、辐射特性等数据的计算移植到GPU中，充分利用了GPU的可编程特性以及强大的并行运算能力，高效牛成了精度较高的红外场景图像。1、引言近年來，红外成像系统在夜间导航、目标探测以及精确制导等各个领域已获得广

2、泛的应用。由于实时红外场景仿真具有高灵活度、可交互的特点，已成为当前红外仿真领域研究的热点之一，它可有效缩短研发周期、降低研发费用以及有效地测试评估各种红外成像系统。自20世纪70年代末国外发达国家针对红外成像技术进行了大量的科研投入，并获得了显著的研究成果。国内的起步则相对较晚，整体水平相对落后，研究大多比较零散，没有系统化。主要偏重于冃标与背景的红外成像建模与仿真方法。如娄树理等利用OpenGL建立了红外物理模型，并利用OpenGL中的光照模型、纹理映射技术等实现红外场景的仿真。贾建科等口详细论述了建立大气传输模型、场

3、景建模及其红外辐射建模的方法，并用Vega进行了场景红外成像仿真。传统的红外图像生成平台如Vcgal31等都是基于一种红外辐射计算模型，通过这个模型来计算物体的每一个面元的辐射量，最终量化输出红外仿真图像，但模型的输入为大量的三维模型以及相关的物理特性数据，由于传统GPU自身的限制，计算大部分工作都是由CPU来承担，数据将不可避免地在CPU和GPU之间发生多次传递，大大降低了图像生成效率。现代图形硬件加速技术的快速发展为红外图像的研究注入了新的活力，新一代的图形绘制硬件集成以GPU为核心的可编程顶点着色器(vertexsh

4、ader)和可编程像素着色器(pixelshader),强大的GPU多通道并行运算能力将CPU从繁重的浮点运算中解放岀来，为大运算量的三维图形实时处理提供了强有力的支持，通过着色程序来对3D图形流水线屮某些阶段作特殊处理，实现更好更快的图形效果。2、可编程GPU的渲染管线及硬件加速体系结构「GPU命令和数据潦、可編程厦点着色fu(vertexahider)1后的顶点流可編程俶素若色ft(pixelghatier)』图1GPL可iflfilffl染淡水线变换肩的片段的片段光ffl化变醤作^wors一个三维对象最终输出到屏幕显

5、示要经过很多阶段的流水式处理，其流水处理过程主要分应用程序阶段、几何阶段及光栅阶段，这种结构是绘制管线的核心机制。在应用程序阶段主要完成建模及顶点数据的准备工作，主要由CPU来完成；在儿何阶段主要完成顶点数据的各种儿何变换以及光照(T&L)计算等工作;光栅阶段则主要通过插值和光栅化把顶点图元转化为像素，完成纹理查找及各种像素级的计算，确定每个像素的颜色值，从而更新显示帧缓冲区来完成一帧图像显示，可编程GPU渲染流水线如图1所示。现在GPU已成为具有高度并行计算能力的高性能浮点运算处理器，原来由CPU完成的许多计算已经转移到

6、GPU,如绘制管线中的儿何阶段和光栅阶段已主要由GPU完成，GPU多通道并行运算能力主要体现在可编程顶点处理器和可编稈像素处理器，如NVIDIAGeforce7300GS具有3个顶点管线、1个像素管线和2个ROP(光栅输出处理)管线，正是这种高度并行的架构为GPU带来了超越CPU的图形处理能力。通过专门的编程语言(如Dircx3D的HLSL,OpenGL的GLSL)编写shader程序，其中运行在顶点管线上的叫可编程顶点着色器，运行在像素管线上的为可编程像素着色器，在以前图形系统上无法实现的复杂算法现在变成了现实。3、红外

7、辐射模型计算红外辐射光谱是电磁波谱的一部分，是物体的重要属性之一。虚拟场景红外成像仿真的过程是首先根据场景的红外辐射特性，采用合适的数学模型，计算出红外场景的红外辐射分布，然后按照场景与视点间的大气条件，利用大气传输模型计算场景红外辐射分布经过大气到达视点过程中的衰减，最后模拟红外探测器特性，计算探测器成像面元对应像素的辐射度，再通过量化等手段，将辐射数据转换为亮度来显示。3.1场景与日标的红外辐射计算对于场景中到达探测器的辐射能量，木文主要考虑目标自身辐射和对太阳或月亮辐射的反射、大气路径辐射以及场景对太阳或月亮辐射的反

8、射同。各种辐射计算方法如下：3.1.1目标自身辐射计算目标自身辐射到达探测器的热量Lthermal计算如下:其屮，XI,表示探测器的波长响应下限，X2,表示探测器的波长响应上限，（I）X表示探测器的波长响应函数，P表示物体表而在对应波段的平均反射率，it表示物体到探测器问的平均大气透过率。3.1.2反射