一种基于gpu的红外传感器物理效应实时成像仿真方法
【技术领域】
[0001] 本发明设计一种基于GPU的红外探测器物理效应实时成像仿真方法，属于系统工 程和建模仿真技术领域。
【背景技术】
[0002] 根据黑体福射理论，任何物质只要本身具有一定的温度（高于绝对零度），都能向 外界福射红外线。红外传感器正是捕获并利用红外线的物理性质来进行测量的传感器。红 外传感器可适用于复杂工作环境、被动探测隐蔽性好；温度分辨率、空间分辨率和灵敏度水 平较高；具有全天候的工作能力、能有效对抗可见光波段的伪装。由于W上种种优点，红外 传感器在工业、医学、军事、空间技术和环境工程等领域得到广泛的应用。可W预见，在不远 的未来视景仿真由传统可见光波段向红外的拓展将成为必然。红外传感器仿真技术能帮助 研究者发现自身在成像物理过程和工程原理理解上的缺陷，有助于红外传感器的有效设计 和应用，引导人们开发出更具鲁椿性的信号处理技术。红外传感器系统可W分为光学系统、 探测器系统和信号处理系统3个子系统，每个分系统中又存在着不同的低通滤波、高通滤 波等物理效应。传统的物理效应仿真方法为基于傅里叶变换的频域滤波方法，但此方法的 需要的计算开销较大，无法有效应用于对实时性和可变性要求较高的图像擅染领域，因此 如何高效、实时地模拟此类物理效应已成为红外仿真成像过程中亟待解决的问题。
【发明内容】
[0003] 本发明即针对红外传感器光学系统、探测器系统和信号处理系统子系统中所存在 的低通滤波物理效应，提出一种基于GPU的红外传感器物理效应成像仿真方法，利用计算 机图形学和虚拟现实技术并结合GPU图形并行擅染等技术，在降低研发成本的同时，能有 效克服环境、地域的限制，提高红外传感器系统的设计和应用的效率。
[0004] 本发明提供一种基于GPU的红外传感器物理效应成像仿真方法，所述成像方法具 体包括如下步骤：
[0005] 步骤一、利用频域调制传递函数及傅里叶反变换得到空域点扩散矩阵；
[0006] 根据要仿真的红外传感器物理效应及相关的物理参数，确定调制传递函数表达 式；给出大小为PXQ，每个像素灰度值为255的灰度图（此图为得到调制传递函数频谱图 所输入，与步骤四中的输入图像不同），将灰度图中屯、定义为频率零点，将像素点（u，v)到 图像中屯、的距离作为此像素对应的输入频率f，计算其对应的传递函数值，并与灰度值相 乘，即可得到大小为PXQ的二维灰度频谱图；对灰度频谱图进行坐标变换和傅里叶反变 换，取傅立叶反变换后所得矩阵每个元素的实数部分，即为大小为PXQ的点扩散矩阵。
[0007] 步骤二、提取菱形卷积模板；
[000引在步骤一得到的矩阵中屯、位置截取两对角线长度均为化+1的菱形子阵，其中
【主权项】
1. 一种基于GPU的红外传感器物理效应成像仿真方法，包括以下几个步骤： 步骤一、利用频域调制传递函数及傅里叶反变换得到空域点扩散矩阵； 根据需要仿真的红外传感器物理效应及物理参数，确定调制传递函数表达式；给出 大小为PXQ，每个像素灰度值为255的灰度图，将灰度图中心定义为频率零点，将像素点 (u，V)到图像中心的距离作为此像素对应的输入频率f，计算其对应的传递函数值，并与灰 度值相乘，得到大小为PXQ的二维灰度频谱图；对灰度频谱图进行坐标变换和傅里叶反变 换，取傅立叶反变换后所得矩阵每个元素的实数部分，得到大小为PXQ的点扩散矩阵； 步骤二、提取菱形卷积模板； 在步骤一得到的点扩散矩阵中心位置截取两对角线长度均为2n+l的菱形子阵，其中
，即满足2n+l为奇数且不大于点扩散矩阵的最大行/列元 素个数，对菱形阵进行归一化处理，归一化处理后的菱形阵即为的菱形卷积模板； 步骤三、对纹理坐标进行偏移处理； 在GPU片段处理器中，将顶点处理器输出的某一像素点纹理坐标进行2n2+2n+l次偏移 处理，每次偏移量均为一像素单位，得到菱形纹理坐标矩阵； 步骤四、获取纹理颜色值并进行图像卷积； 在GPU片段处理器中，根据处理前的原始图像，解析步骤三得到的菱形纹理坐标矩阵 所对应的2n2+2n+l组RGB颜色值，进而得到处理前的颜色值菱形阵，并将此2n2+2n+l组RGB 颜色值分别与包含2n2+2n+l个元素的菱形卷积模板中对应元素相乘，得到处理后的颜色值 菱形阵；再将菱形阵所有元素值相加，作为菱形中心位置像素点的颜色值，并输出该像素颜 色值； 步骤五、遍历所有像素点得到最终输出图像； 重复步骤三至步骤四，直至遍历步骤四中输入的原始图像中所有像素点，得到所有像 素点处理后的RGB值，最终形成一幅考虑红外传感器物理效应影响的红外场景仿真图像。
2. 根据权利要求书1所述的一种基于GPU的红外传感器物理效应成像仿真方法，所述 步骤三具体为： 首先将渲染窗口的宽度Width、高度Height作为输入变量传入GPU片段处理函数，1/ Width即为一像素所代表的单位宽度值，同理，Ι/Height即为一像素所代表的单位高度值； 随后对从顶点处理器输入的纹理坐标进行单位偏移处理，假设初始纹理坐标为（u，V)，则 (u, V) - (1/Width, 0)表示纹理坐标左移一个像素单位；以此方法进行2n2+2n+l次偏移，最 终得到菱形纹理坐标矩阵。
【专利摘要】本发明公开了一种基于GPU的红外探测器物理效应实时成像仿真方法，首先利用物理效应调制传递函数及傅里叶反变换得到空域点扩散矩阵，进一步提取菱形卷积模板，再对纹理坐标进行偏移处理，获取纹理颜色值并进行图像卷积，最终遍历所有像素点得到最终输出图像。本发明可逼真的模拟低通滤波物理效应对输出图像造成的影响；本发明提出的菱形滤波模板可以有效的减少工程计算量及GPU的寄存器使用量；本发明利用计算机图形学和虚拟现实技术并结合GPU图形并行渲染等技术，在降低研发成本的同时，能有效克服环境、地域的限制，提高红外探测器系统的设计和应用的效率。
【IPC分类】G06T11-00
【公开号】CN104867169
【申请号】CN201510253342
【发明人】李妮, 王少丹, 龚光红
【申请人】北京航空航天大学
【公开日】2015年8月26日
【申请日】2015年5月18日