一種基于gpu的紅外傳感器物理效應(yīng)實(shí)時成像仿真方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)計(jì)一種基于GPU的紅外探測器物理效應(yīng)實(shí)時成像仿真方法，屬于系統(tǒng)工 程和建模仿真技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 根據(jù)黑體福射理論，任何物質(zhì)只要本身具有一定的溫度（高于絕對零度），都能向 外界福射紅外線。紅外傳感器正是捕獲并利用紅外線的物理性質(zhì)來進(jìn)行測量的傳感器。紅 外傳感器可適用于復(fù)雜工作環(huán)境、被動探測隱蔽性好；溫度分辨率、空間分辨率和靈敏度水 平較高；具有全天候的工作能力、能有效對抗可見光波段的偽裝。由于W上種種優(yōu)點(diǎn)，紅外 傳感器在工業(yè)、醫(yī)學(xué)、軍事、空間技術(shù)和環(huán)境工程等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用?？蒞預(yù)見，在不遠(yuǎn) 的未來視景仿真由傳統(tǒng)可見光波段向紅外的拓展將成為必然。紅外傳感器仿真技術(shù)能幫助 研究者發(fā)現(xiàn)自身在成像物理過程和工程原理理解上的缺陷，有助于紅外傳感器的有效設(shè)計(jì) 和應(yīng)用，引導(dǎo)人們開發(fā)出更具魯椿性的信號處理技術(shù)。紅外傳感器系統(tǒng)可W分為光學(xué)系統(tǒng)、 探測器系統(tǒng)和信號處理系統(tǒng)3個子系統(tǒng)，每個分系統(tǒng)中又存在著不同的低通濾波、高通濾 波等物理效應(yīng)。傳統(tǒng)的物理效應(yīng)仿真方法為基于傅里葉變換的頻域?yàn)V波方法，但此方法的 需要的計(jì)算開銷較大，無法有效應(yīng)用于對實(shí)時性和可變性要求較高的圖像擅染領(lǐng)域，因此 如何高效、實(shí)時地模擬此類物理效應(yīng)已成為紅外仿真成像過程中亟待解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明即針對紅外傳感器光學(xué)系統(tǒng)、探測器系統(tǒng)和信號處理系統(tǒng)子系統(tǒng)中所存在 的低通濾波物理效應(yīng)，提出一種基于GPU的紅外傳感器物理效應(yīng)成像仿真方法，利用計(jì)算 機(jī)圖形學(xué)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)并結(jié)合GPU圖形并行擅染等技術(shù)，在降低研發(fā)成本的同時，能有 效克服環(huán)境、地域的限制，提高紅外傳感器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用的效率。
[0004] 本發(fā)明提供一種基于GPU的紅外傳感器物理效應(yīng)成像仿真方法，所述成像方法具 體包括如下步驟：
[0005] 步驟一、利用頻域調(diào)制傳遞函數(shù)及傅里葉反變換得到空域點(diǎn)擴(kuò)散矩陣；
[0006] 根據(jù)要仿真的紅外傳感器物理效應(yīng)及相關(guān)的物理參數(shù)，確定調(diào)制傳遞函數(shù)表達(dá) 式；給出大小為PXQ，每個像素灰度值為255的灰度圖（此圖為得到調(diào)制傳遞函數(shù)頻譜圖 所輸入，與步驟四中的輸入圖像不同），將灰度圖中屯、定義為頻率零點(diǎn)，將像素點(diǎn)（u，v)到 圖像中屯、的距離作為此像素對應(yīng)的輸入頻率f，計(jì)算其對應(yīng)的傳遞函數(shù)值，并與灰度值相 乘，即可得到大小為PXQ的二維灰度頻譜圖；對灰度頻譜圖進(jìn)行坐標(biāo)變換和傅里葉反變 換，取傅立葉反變換后所得矩陣每個元素的實(shí)數(shù)部分，即為大小為PXQ的點(diǎn)擴(kuò)散矩陣。
[0007] 步驟二、提取菱形卷積模板；
[000引在步驟一得到的矩陣中屯、位置截取兩對角線長度均為化+1的菱形子陣，其中
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于GPU的紅外傳感器物理效應(yīng)成像仿真方法，包括以下幾個步驟： 步驟一、利用頻域調(diào)制傳遞函數(shù)及傅里葉反變換得到空域點(diǎn)擴(kuò)散矩陣； 根據(jù)需要仿真的紅外傳感器物理效應(yīng)及物理參數(shù)，確定調(diào)制傳遞函數(shù)表達(dá)式；給出 大小為PXQ，每個像素灰度值為255的灰度圖，將灰度圖中心定義為頻率零點(diǎn)，將像素點(diǎn) (u，V)到圖像中心的距離作為此像素對應(yīng)的輸入頻率f，計(jì)算其對應(yīng)的傳遞函數(shù)值，并與灰 度值相乘，得到大小為PXQ的二維灰度頻譜圖；對灰度頻譜圖進(jìn)行坐標(biāo)變換和傅里葉反變 換，取傅立葉反變換后所得矩陣每個元素的實(shí)數(shù)部分，得到大小為PXQ的點(diǎn)擴(kuò)散矩陣； 步驟二、提取菱形卷積模板； 在步驟一得到的點(diǎn)擴(kuò)散矩陣中心位置截取兩對角線長度均為2n+l的菱形子陣，其中
，即滿足2n+l為奇數(shù)且不大于點(diǎn)擴(kuò)散矩陣的最大行/列元 素個數(shù)，對菱形陣進(jìn)行歸一化處理，歸一化處理后的菱形陣即為的菱形卷積模板； 步驟三、對紋理坐標(biāo)進(jìn)行偏移處理； 在GPU片段處理器中，將頂點(diǎn)處理器輸出的某一像素點(diǎn)紋理坐標(biāo)進(jìn)行2n2+2n+l次偏移 處理，每次偏移量均為一像素單位，得到菱形紋理坐標(biāo)矩陣； 步驟四、獲取紋理顏色值并進(jìn)行圖像卷積； 在GPU片段處理器中，根據(jù)處理前的原始圖像，解析步驟三得到的菱形紋理坐標(biāo)矩陣 所對應(yīng)的2n2+2n+l組RGB顏色值，進(jìn)而得到處理前的顏色值菱形陣，并將此2n2+2n+l組RGB 顏色值分別與包含2n2+2n+l個元素的菱形卷積模板中對應(yīng)元素相乘，得到處理后的顏色值 菱形陣；再將菱形陣所有元素值相加，作為菱形中心位置像素點(diǎn)的顏色值，并輸出該像素顏 色值； 步驟五、遍歷所有像素點(diǎn)得到最終輸出圖像； 重復(fù)步驟三至步驟四，直至遍歷步驟四中輸入的原始圖像中所有像素點(diǎn)，得到所有像 素點(diǎn)處理后的RGB值，最終形成一幅考慮紅外傳感器物理效應(yīng)影響的紅外場景仿真圖像。
2. 根據(jù)權(quán)利要求書1所述的一種基于GPU的紅外傳感器物理效應(yīng)成像仿真方法，所述 步驟三具體為： 首先將渲染窗口的寬度Width、高度Height作為輸入變量傳入GPU片段處理函數(shù)，1/ Width即為一像素所代表的單位寬度值，同理，Ι/Height即為一像素所代表的單位高度值； 隨后對從頂點(diǎn)處理器輸入的紋理坐標(biāo)進(jìn)行單位偏移處理，假設(shè)初始紋理坐標(biāo)為（u，V)，則 (u, V) - (1/Width, 0)表示紋理坐標(biāo)左移一個像素單位；以此方法進(jìn)行2n2+2n+l次偏移，最 終得到菱形紋理坐標(biāo)矩陣。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于GPU的紅外探測器物理效應(yīng)實(shí)時成像仿真方法，首先利用物理效應(yīng)調(diào)制傳遞函數(shù)及傅里葉反變換得到空域點(diǎn)擴(kuò)散矩陣，進(jìn)一步提取菱形卷積模板，再對紋理坐標(biāo)進(jìn)行偏移處理，獲取紋理顏色值并進(jìn)行圖像卷積，最終遍歷所有像素點(diǎn)得到最終輸出圖像。本發(fā)明可逼真的模擬低通濾波物理效應(yīng)對輸出圖像造成的影響；本發(fā)明提出的菱形濾波模板可以有效的減少工程計(jì)算量及GPU的寄存器使用量；本發(fā)明利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)并結(jié)合GPU圖形并行渲染等技術(shù)，在降低研發(fā)成本的同時，能有效克服環(huán)境、地域的限制，提高紅外探測器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用的效率。
【IPC分類】G06T11-00
【公開號】CN104867169
【申請?zhí)枴緾N201510253342
【發(fā)明人】李妮, 王少丹, 龔光紅
【申請人】北京航空航天大學(xué)
【公開日】2015年8月26日
【申請日】2015年5月18日