本發(fā)明屬于圖像仿真，涉及一種基于虛幻引擎的紅外湍流退化圖像仿真方法，可應(yīng)用于航空航天、安防監(jiān)控、氣象監(jiān)測等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
1、紅外成像技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用性和強大的功能性，其主要特點有適用性、抗干擾能力強、環(huán)境適應(yīng)能力強等，但是獲取真實湍流圖像需要在特定的環(huán)境條件下進(jìn)行，這不僅需要高精度的測量設(shè)備，還需要克服環(huán)境條件的限制，因此獲取真實的湍流圖像需要高昂的成本。紅外成像仿真技術(shù)涉及對景物在時間、空間、光譜及輻射量等方面的紅外輻射分布進(jìn)行模擬，該技術(shù)可生成在限制條件下難以獲得的紅外圖像。圖像是紅外成像系統(tǒng)中最常用的信息載體，高質(zhì)量、高分辨率的圖像可以更好地傳達(dá)目標(biāo)的信息。但是大氣湍流能明顯降低光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量，大氣密度和溫度的不均勻性會導(dǎo)致大氣折射率變化，在空間維上，距離目標(biāo)越遠(yuǎn)，曝光時間越長，受大氣擾動越嚴(yán)重，圖像越模糊；在時間維上，隨著時間的推移圖像不同區(qū)域會產(chǎn)生隨機的抖動。因此大氣湍流會導(dǎo)致紅外成像系統(tǒng)采集的圖像出現(xiàn)模糊、噪聲、相位畸變、內(nèi)容丟失等現(xiàn)象。
2、紅外湍流退化圖像仿真通過構(gòu)建的大氣湍流物理模型，并結(jié)合紅外成像系統(tǒng)的傳遞特性，模擬大氣湍流對紅外信號傳輸過程中所產(chǎn)生的隨機干擾效應(yīng)，從而生成高度貼近真實觀測條件的退化圖像。
3、現(xiàn)有典型的紅外湍流退化圖像仿真是基于ogre引擎實現(xiàn)的，該方法首先基于ogre引擎搭建包含紅外目標(biāo)與成像系統(tǒng)的三維地形場景，并通過大氣調(diào)制傳遞函數(shù)生成點擴散函數(shù)，經(jīng)采樣和歸一化處理得到模糊核，然后將模糊核轉(zhuǎn)換為紋理圖像格式，與仿真場景的渲染結(jié)果進(jìn)行卷積運算，該運算過程基于cpu的串行計算模式執(zhí)行，最終通過仿真成像系統(tǒng)輸出具有湍流退化效果的仿真圖像。該方法利用大氣調(diào)制傳遞函數(shù)生成貼合湍流物理規(guī)律點擴散函數(shù)，利用該點擴散函數(shù)仿真出來的退化圖像較傳統(tǒng)仿真方法仿真出的退化圖像，能夠提高仿真精度；然后把點擴散函數(shù)進(jìn)行采樣并歸一化為模糊核紋理圖像，再與搭建好的三維場景進(jìn)行實時渲染，解決了傳統(tǒng)靜態(tài)場景仿真欠實時性的問題。但其為了保證場景的流暢運行，在搭建三維地形場景的過程中會對地形細(xì)節(jié)進(jìn)行一定程度的壓縮和簡化，導(dǎo)致與真實地形的高頻細(xì)節(jié)存在差異，且所生成的點擴散函數(shù)僅考慮大氣調(diào)制傳遞函數(shù)，而忽略了成像系統(tǒng)對成像結(jié)果的影響，從而影響了仿真精度，同時該方法通過cpu的串行計算模式對紋理圖像與仿真場景渲染結(jié)果進(jìn)行卷積，計算過程較為復(fù)雜且耗時長，影響了仿真的實時性。
技術(shù)實現(xiàn)思路
1、本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，提出了一種基于虛幻引擎的紅外湍流退化圖像仿真方法，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的仿真結(jié)果精度和實時性較差的技術(shù)問題。
2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案包括如下步驟：
3、(1)基于虛幻引擎構(gòu)建三維山地仿真場景：
4、基于虛幻引擎構(gòu)建包括虛擬的三維山地場景，以及添加有多個紅外輻射特征目標(biāo)和成像系統(tǒng)的三維山地仿真場景；
5、(2)計算二維點擴散函數(shù)：
6、通過成像系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)mtfdiff與大氣湍流調(diào)制傳遞函數(shù)mtfturb計算綜合調(diào)制傳遞函數(shù)mtfoptics，并對mtfoptics進(jìn)行傅里葉逆變換，得到空間域的二維點擴散函數(shù)h；
7、(3)基于二維點擴散函數(shù)生成模糊核的紋理圖像：
8、對二維點擴散函數(shù)h進(jìn)行徑向采樣后對每個采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化，并將所有采樣數(shù)據(jù)歸一化后的二維模糊核h保存為exr格式且與其規(guī)格相同的紋理圖像；
9、(4)基于虛幻引擎對三維山地場景進(jìn)行渲染后對渲染結(jié)果與模糊核紋理圖像進(jìn)行卷積：
10、基于虛幻引擎對三維山地場景進(jìn)行多次實時渲染，并對渲染后的每幀圖像與模糊核紋理圖像進(jìn)行并行卷積，得到山地場景實時湍流模糊效果；
11、(5)獲取紅外湍流退化圖像仿真結(jié)果：
12、基于成像系統(tǒng)對山地場景實時湍流模糊效果進(jìn)行成像，得到紅外湍流退化圖像。
13、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點：山地場景實時湍流模糊效果；
14、1.本發(fā)明所構(gòu)建的三維山地仿真場景中包含有真實山地場景數(shù)字高程模型中的高度數(shù)據(jù)，所生成的二維點擴散函數(shù)包含有成像系統(tǒng)自身的空間頻率響應(yīng)信息和大氣湍流對圖像細(xì)節(jié)傳遞的衰減作用信息，通過對三維山地場景渲染后的每幀圖像與基于二維點擴散函數(shù)生成的模糊核紋理圖像進(jìn)行并行卷積，得到的山地場景實時湍流模糊效果不僅較好地保持了地形的細(xì)節(jié)，還考慮了成像系統(tǒng)對圖像的影響，有效提高了仿真精度。
15、2.本發(fā)明基于虛幻引擎中g(shù)pu并行架構(gòu)并行的多個線程對渲染圖像中的像素點與模糊核紋理圖像進(jìn)行并行卷積，避免了現(xiàn)有技術(shù)中使用cpu進(jìn)行串行卷積導(dǎo)致的因計算過程較為復(fù)雜導(dǎo)致的耗時較長的缺陷，具有較好的實時性。
1.一種基于虛幻引擎的紅外湍流退化圖像仿真方法，其特征在于包括如下步驟：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟(1)中所述的三維山地場景，其構(gòu)建方法為：
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟(2)中所述的綜合調(diào)制傳遞函數(shù)mtfoptics，計算公式為：
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，步驟(2)中所述的對mtfoptics進(jìn)行傅里葉逆變換，其中對mtfoptics中頻率域中第u行第v列的綜合調(diào)制傳遞函數(shù)mtfoptics(u,v)表示結(jié)果進(jìn)行傅里葉逆變換的公式為：
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟(3)中所述的對二維點擴散函數(shù)h進(jìn)行徑向采樣后對每個采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化，實現(xiàn)步驟為：
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟(4)中所述的基于虛幻引擎對三維山地場景進(jìn)行實時渲染，實現(xiàn)步驟為：
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，步驟(4)中所述的對渲染結(jié)果按幀與模糊核紋理圖像進(jìn)行并行卷積，具體方法是通過虛幻引擎中g(shù)pu并行架構(gòu)并行的多個線程同時對渲染圖像中的像素點與模糊核紋理圖像進(jìn)行卷積，其中對第t幀渲染圖像的第p行第q列的像素i(p,q,t)與第i行第j列的模糊核h[i,j]的卷積公式為：
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟(5)中所述的對山地場景實時湍流模糊效果進(jìn)行成像，具體方法是，成像系統(tǒng)對其視口內(nèi)觀察到的山地場景實時湍流模糊效果中每個像素點數(shù)值進(jìn)行保存，得到與成像系統(tǒng)分辨率相同紅外湍流退化圖像中。