基于物理模型的战场烟幕实时红外仿真-张作宇.pdf
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1、基 于 物 理 模 型 的 战 场 烟 幕 实 时 红 外 仿 真张 作 宇1, 廖 守 亿1, 张 金 城1, 苏 德 伦1 , 2, 闫 循 良1( 1 . 火 箭 军 工 程 大 学 控 制 工 程 系 , 陕 西 西 安 7 1 0 02 5 ; 2 . 中 国 人 民 解 放 军 9 6 11 1 部 队 , 陕 西 韩 城 7 1 5 40 0 )摘 要 : 烟 幕 、 灰 尘 、 云 、 火 焰 等 不 规 则 物 体 的 实 时 红 外 仿 真 技 术 是 战 场 环 境 红 外 图 像 实 时 生 成 的 关键 技 术 和 难 点 之 一 。 以 烟 幕 红 外 仿 真 为
2、例 , 首 先 基 于 N a v i e r - S t o ke s 方 程 对 烟 幕 的 外 形 进 行 了 建 模 , 给出 了 其 初 始 化 和 边 界 处 理 方 法 ; 然 后 基 于 灰 体 辐 射 模 型 和 光 线 投 射 算 法 考 虑 了 烟 幕 自 身 辐 射 和 太 阳光 照 射 两 种 因 素 对 烟 幕 的 红 外 辐 射 特 性 进 行 了 建 模 ; 最 后 , 利 用 C U D A 并 行 计 算 工 具 对 基 于 物 理 模型 的 烟 幕 红 外 仿 真 进 行 了 实 现 , 成 功 地 将 红 外 烟 幕 嵌 入 到 基 于 V e g a
3、的 红 外 场 景 中 , 并 对 利 用 V e g a粒 子 系 统 产 生 的 红 外 烟 幕 和 基 于 物 理 模 型 的 红 外 烟 幕 的 效 果 进 行 了 对 比 。 仿 真 结 果 表 明 , 基 于 物 理 模型 的 烟 幕 红 外 仿 真 满 足 实 时 性 需 求 , 且 具 有 真 实 感 强 , 可 控 性 好 的 优 点 。关 键 词 : 烟 幕 ; 红 外 图 像 ; 实 时 生 成 ; N a v i e r - S t o k e s 方 程 ; C U D A ; V e g a中 图 分 类 号 : T P 3 9 1 . 9 文 献 标 志 码 :
4、A D O I : 10 . 37 8 8 / I R L A 2 01 6 4 5 . 0 4 04 0 0 4R e a l - t i m e b a t t l e f i e l d s m o k e I R s i m u l a t i o n b a s e d o n p h y s i c a l m o d e lZ h a n g Z u o y u1, L i a o S h o u y i1, Z h a n g J i n c he n g1, S u D e l u n1 , 2, Y a n X un l i a ng1( 1 . D e p a r t m
5、 e n t o f A u t o m a t i o n , T h e R o c k e t F o r c e U n i v e r s i t y o f E n g i n e e r i n g , X i a n 7 1 0 0 2 5 , C h i n a ;2 . 9 6 1 1 1 A r m y o f P L A , H a n c h e n g 7 1 5 4 0 0 , C h i n a )A b s t r ac t : T he I R s i m ul a t i o n t e c h n o l o gy of i rr e gu l a r
6、o b j e c t s , s u c h a s s m ok e , d u s t , c l o u d , fl a m e a nd s oo n , i s on e o f t h e k e y t e c h no l o g i e s a n d di ff i c u l t i e s o f r e a l - t i m e I R i m a g e g e n e ra t i on . T a k e t h e I Rs i m u l a t i o n o f s m ok e f or e x a m p l e , fi r s t , t
7、h e s h a p e of t h e s m o ke w a s m o d e l e d ba s e d o n t h e N a v i e r - S t o k e se q ua t i o n , t h e m e t h o d o f i n i t i a l i z a t i on a nd b o u nd a r y pr o c e s s i ng w a s a l s o p ro v i d e d . T he n , t he i n fr a re dm o d e l o f t h e s m o k e w hi c h t a
8、 k e i n t o a c c o u nt t h e s m o ke s o w n ra d i a t i on a n d t h e s u n s r a di a t i o n w a s b u i l tb a s e d o n t h e g r a y b o dy ra d i a t i o n m o d e l a n d t h e l i g h t p ro j e c t i on a l g o ri t h m . L a s t , t h e s m o ke I R s i m ul a t i o nb a s e d on t
9、he p h ys i c a l m od e l w a s i m p l e m e n t e d u s i ng t he C U D A p a r a l l e l c o m p u t i ng t o ol , a n d t he I Rs m o ke w a s s uc c e s s fu l l y e m b e d d e d i n t o t h e IR s c e ne b a s e d o n V e g a , a l s o , t he e ff e c t s of t he IR s m ok eb a s e d o n t h
10、 e p h y s i c a l m o d e l a n d t he V e g a pa r t i c l e s ys t e m w e r e c o n t r a s t e d . T he r e s u l t s i n d i c a t e t h a t t h es m o ke IR s i m u l a t i o n b a s e d on t h e p h ys i c a l m o de l c a n m e e t t h e r e q u i r e m e nt s o f re a l - t i m e , a n d h
11、 a s t h ea d va n t a g e s o f s t ro n g s e n s e o f re a l i t y a nd go o d c o nt ro l l a bi l i t y .K e y w o r d s : s m o ke ; IR i m a g e ; re a l - t i m e ge n e ra t i o n ; N a v i e r - S t o ke s e q ua t i o n ; C U D A ; V e g a收 稿 日 期 : 2 0 1 5 - 0 8 - 1 0 ; 修 订 日 期 : 2 0 1 5
12、 - 0 9 - 2 0基 金 项 目 : 中 国 博 士 后 科 学 基 金 ( 2 0 1 3 M 5 3 2 1 2 5 , 2 0 1 4 T 7 0 9 7 4 )作 者 简 介 : 张 作 宇 ( 1 9 9 2 - ) , 男 , 硕 士 生 , 主 要 从 事 导 航 制 导 与 控 制 方 面 的 研 究 E m a i l : z h a n g z u o y u 1 0 0 2 1 6 3 . c o m导 师 简 介 : 廖 守 亿 ( 1 9 7 4 - ) , 男 , 副 教 授 , 硕 士 生 导 师 , 博 士 后 , 主 要 从 事 飞 行 器 系 统 建
13、模 与 仿 真 , 导 航 制 导 与 控 制 方 面 的 研 究 E m a i l : l s y _ n u d t s o h u . c o m0 4 0 4 0 0 4 - 1第 4 5 卷 第 4 期 红 外 与 激 光 工 程 2 0 1 6 年 4 月V o l . 4 5 N o . 4 I n f r a r e d a n d L a s e r E n g i n e e r i n g A p r . 2 0 1 6红 外 与 激 光 工 程第 4 期 w w w . i r l a. cn 第 4 5 卷0 4 0 4 0 0 4 - 20 引 言通 过 在 实
14、验 室 环 境 下 模 拟 出 逼 真 的 贴 近 实 战的 战 场 环 境 红 外 热 图 像 从 而 构 建 红 外 成 像 制 导 半 实物 仿 真 系 统 , 对 于 红 外 成 像 导 引 头 的 实 战 性 能 评 估具 有 重 要 意 义 而 为 了 产 生 逼 真 的 战 场 环 境 红 外 热图 像 , 需 要 计 算 机 实 时 生 成 战 场 环 境 红 外 图 像 , 然 后通 过 动 态 红 外 景 象 投 射 装 置 将 计 算 机 图 像 投 射 转 换为 具 有 真 实 辐 射 的 红 外 热 图 像 1 这 个 过 程 涉 及 的关 键 技 术 很 多 , 如
15、 如 何 生 成 逼 真 的 计 算 机 红 外 图 像 如 何 准 确 地 投 射 出 红 外 热 图 像 等 其 中 战 场 环 境 红外 图 像 实 时 生 成 是 影 响 所 投 射 红 外 热 图 像 逼 真 度 的关 键 环 节 之 一 , 是 实 现 基 于 半 实 物 仿 真 的 红 外 成 像导 引 头 实 战 性 能 评 估 的 关 键 技 术 之 一 在 复 杂 战 场环 境 中 , 烟 幕 灰 尘 云 火 焰 等 不 规 则 物 体 是 场 景 中必 不 可 少 的 组 成 要 素 , 也 是 对 红 外 成 像 导 引 头 性 能产 生 影 响 的 主 要 干 扰 因
16、 素 由 于 这 些 不 规 则 物 体 具有 外 形 状 态 大 小 等 随 时 间 不 断 变 化 的 特 点 , 利 用传 统 的 三 角 形 建 模 很 难 对 其 进 行 逼 真 模 拟 因 此 , 烟幕 灰 尘 云 火 焰 等 不 规 则 物 体 的 红 外 仿 真 技 术 对于 生 成 逼 真 的 战 场 环 境 红 外 图 像 至 关 重 要 当 前 , 在 红 外 图 像 实 时 生 成 技 术 领 域 , 不 规 则物 体 的 红 外 图 像 生 成 大 多 采 用 粒 子 系 统 对 其 进 行 建模 2 利 用 粒 子 系 统 来 模 拟 不 规 则 物 体 虽 然 能
17、 够 产生 较 为 逼 真 的 外 观 , 但 是 由 于 现 实 中 不 规 则 物 体 往往 并 不 是 由 简 单 的 粒 子 组 成 的 , 且 其 内 部 运 动 复 杂 ,因 此 利 用 粒 子 系 统 往 往 难 以 对 不 规 则 物 体 进 行 真 实描 述 且 若 要 产 生 逼 真 的 外 观 , 往 往 需 要 大 量 的 粒 子来 对 不 规 则 物 体 进 行 模 拟 , 这 样 计 算 开 销 大 大 增 加 ,而 当 粒 子 个 数 较 少 时 , 则 颗 粒 性 明 显 , 仿 真 效 果 差 近 年 来 , 在 计 算 机 图 形 学 领 域 , 基 于 物
18、 理 模 型 和 体 绘制 技 术 的 不 规 则 物 体 实 时 仿 真 技 术 得 到 了 国 内 外 学者 的 广 泛 关 注 过 去 由 于 图 形 硬 件 计 算 能 力 较 差 , 该技 术 一 般 只 用 作 高 质 量 计 算 机 动 画 的 离 线 渲 染 而 近年 来 由 于 图 形 硬 件 性 能 的 大 大 提 高 和 多 种 优 化 简 化算 法 的 提 出 , 该 技 术 已 能 够 实 现 不 规 则 物 体 的 实 时 渲染 且 能 够 达 到 比 粒 子 系 统 更 为 逼 真 的 效 果 3 烟 幕 灰 尘 云 火 焰 等 不 规 则 物 体 具 有 许 多
19、 相似 的 性 质 , 其 运 动 与 变 化 的 规 律 都 符 合 流 体 的 特 性 因 此 , 对 烟 幕 灰 尘 云 火 焰 等 不 规 则 物 体 的 建 模 方法 具 有 一 定 的 通 用 性 文 中 以 烟 幕 为 仿 真 对 象 , 采 用经 典 的 N a v i e r - S t o ke s 方 程 对 烟 幕 的 外 形 进 行 建 模 ,考 虑 烟 幕 自 身 辐 射 和 太 阳 光 散 射 两 种 因 素 对 烟 幕 的红 外 辐 射 特 性 进 行 建 模 , 利 用 C U D A 并 行 计 算 技 术进 行 算 法 实 现 , 并 将 所 生 成 红
20、外 烟 幕 嵌 入 到 V e g a 红外 场 景 中 , 达 到 了 烟 幕 实 时 红 外 仿 真 的 目 的 , 产 生 了比 V e g a 粒 子 系 统 更 加 逼 真 的 效 果 1 烟 幕 外 形 模 型如 图 1 所 示 , 整 个 烟 幕 的 仿 真 被 限 定 在 一 个 长方 体 的 空 间 中 , 该 空 间 被 分 割 为 均 匀 的 立 方 体 网 格 每 一 个 网 格 都 具 有 共 同 的 属 性 , 如 烟 幕 浓 度 温 度 速 度 等 利 用 流 体 方 程 将 各 网 格 的 不 同 属 性 进 行 对流 , 从 而 产 生 不 断 变 化 的 烟
21、 幕 外 形 网 格 越 密 , 仿 真的 精 度 越 高 , 但 计 算 量 也 会 大 大 增 加 图 1 烟 幕 仿 真 空 间 结 构 示 意 图F i g . 1 S t r u c t u r e d i a g r a m o f s m o k e s i m u l a t i o n s p a c e1 . 1 流 体 方 程用 于 描 述 低 速 不 可 压 流 体 运 动 规 律 的 N a v i e r -S t ok e s 方 程 描 述 如 下 :a ua t= - ( u V ) u -1V + v V2u + f ( 1 )V u = 0 ( 2 )式
22、中 : u 为 速 度 矢 量 ; p 为 压 强 ; 为 密 度 ; v 为 流 体 粘性 系 数 ; f 为 外 力 产 生 的 加 速 度 方 程 ( 1 ) 右 端 第 一 项为 对 流 项 , 第 二 项 为 压 力 项 , 第 三 项 为 扩 散 项 , 第 四项 为 外 力 项 S t a m 提 出 了 S t a bl e F l u i d s 方 法 , 实 现 了 对N a vi e r - S t o k e s 方 程 的 大 步 长 稳 定 求 解 , 其 主 要 求 解过 程 如 下 首 先 , 不 考 虑 N a vi e r - S t ok e s 方 程
23、 中 的 压 力 项 ,分 别 对 速 度 场 施 加 对 流 项 扩 散 项 外 力 项 进 行 求解 其 中 求 解 对 流 项 采 用 隐 式 S e m i - L a g r a n g i a n 方红 外 与 激 光 工 程第 4 期 w w w . i r l a. cn 第 4 5 卷0 4 0 4 0 0 4 - 3法 , 数 学 描 述 如 下 :u1( x ) = u0( r ( x , - 乙 t ) ) ( 3 )式 中 : x 为 当 前 位 置 ; r ( x , - 乙 t ) 为 当 前 位 置 以 当 前 速度 回 溯 乙 t 时 间 所 在 的 位 置
24、即 以 回 溯 乙 t 时 间 所 在位 置 的 速 度 作 为 当 前 位 置 新 的 速 度 扩 散 项 的 求 解 采 用 隐 式 求 解 法 , 如 下 式 所 示 :( I - v 乙 t V2) u2( x ) = u1( x ) ( 4 )式 中 : I 为 单 位 矩 阵 由 于 该 方 程 为 含 有 L a pl a c e 算子 的 P o s s i o n 方 程 , 故 一 般 采 用 迭 代 法 求 解 , 如J a c o b i 迭 代 外 力 项 的 求 解 较 为 简 单 , 即 :u3= u2+ 乙 t f ( x , t ) ( 5 )然 后 , 考
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- 基于 物理 模型 战场 烟幕 实时 红外 仿真 张作宇
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