一種基于OptiX的自然場(chǎng)景溫度場(chǎng)計(jì)算方法及系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及紅外場(chǎng)景仿真領(lǐng)域，具體涉及一種基于OptiX的自然場(chǎng)景溫度場(chǎng)計(jì)算 方法及系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 溫度高于絕對(duì)零度的一切物體都能夠自發(fā)的向外輻射能量，一般物體的輻射能量 峰值位于紅外波段。此外，紅外輻射具有全天候工作、透霧性好等突出優(yōu)勢(shì)，因此紅外目標(biāo) 探測(cè)在軍事領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。紅外武器的作戰(zhàn)效能不僅取決于紅外探測(cè)器的固有屬 性，而且還與物體的輻射、天氣狀況等因素有關(guān)。紅外場(chǎng)景仿真采用理論計(jì)算的方式來(lái)評(píng)價(jià) 紅外探測(cè)器的性能，它既考慮了紅外探測(cè)器的固有屬性，也考慮了目標(biāo)場(chǎng)景的輻射分布狀 況和天氣對(duì)探測(cè)性能的影響，能對(duì)紅外探測(cè)器進(jìn)行綜合全面的評(píng)價(jià)。
[0003] 在紅外波段，物體的自發(fā)輻射是紅外探測(cè)器接收到的總輻射的重要組成部分，自 發(fā)輻射與溫度的四次方成正比，因此，溫度場(chǎng)的計(jì)算對(duì)紅外場(chǎng)景仿真至關(guān)重要。常用的溫度 計(jì)算方法有三維熱傳導(dǎo)模型和一維熱傳導(dǎo)模型，通常三維熱傳導(dǎo)模型用于內(nèi)部含有熱源的 目標(biāo)，如車輛、艦船等，而一維熱傳導(dǎo)模型用于內(nèi)部不含熱源的自然場(chǎng)景，如地表、建筑等。
[0004] 紅外場(chǎng)景仿真中，地表、建筑等物體由幾何模型組成，根據(jù)仿真場(chǎng)景的大小，幾何 模型可能包含幾千到幾十萬(wàn)的面元，對(duì)于每一個(gè)面元都要計(jì)算其溫度值。如果采用傳統(tǒng)的 基于CPU(Central Processing Unit)的串行運(yùn)算，將消耗大量的計(jì)算時(shí)間。此外，太陽(yáng)遮 擋會(huì)產(chǎn)生熱陰影效果，為了更準(zhǔn)確描述場(chǎng)景的紅外輻射分布狀況，在溫度場(chǎng)計(jì)算過(guò)程中必 須考慮太陽(yáng)遮擋效果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明提供一種基于OptiX的自然場(chǎng)景溫度場(chǎng)計(jì)算方法 及系統(tǒng)，能夠顯著提高計(jì)算速度和提高紅外仿真的熱分辨率。
[0006] 第一方面，本發(fā)明提供了一種基于OptiX的自然場(chǎng)景溫度場(chǎng)計(jì)算方法，包括：
[0007] SI.建立某一自然場(chǎng)景的幾何模型，并形成所述自然場(chǎng)景的幾何模型紋理，其中， 所述自然場(chǎng)景的幾何模型由若干個(gè)幾何面元構(gòu)成；
[0008] S2.對(duì)所述自然場(chǎng)景的幾何模型紋理進(jìn)行材質(zhì)分類，將幾何模型紋理中的不同材 質(zhì)分開(kāi)，生成所述自然場(chǎng)景的材質(zhì)紋理，材質(zhì)紋理的像素值為自然場(chǎng)景的幾何模型紋理中 對(duì)應(yīng)的材質(zhì)在材質(zhì)索引表中的材質(zhì)索引編號(hào)；
[0009] S3.根據(jù)所述自然場(chǎng)景的幾何模型和所述自然場(chǎng)景的材質(zhì)紋理，利用一維熱傳導(dǎo) 模型采用OptiX對(duì)所述自然場(chǎng)景的幾何模型中的所有幾何面元進(jìn)行一維熱傳導(dǎo)并行計(jì)算， 得到所述自然場(chǎng)景的幾何模型中每個(gè)幾何面元的溫度分布。
[0010] 其中，所述步驟S2包括：
[0011] S21.對(duì)所述自然場(chǎng)景的幾何模型紋理進(jìn)行材質(zhì)分類；
[0012] S22.根據(jù)所述材質(zhì)分類結(jié)果統(tǒng)計(jì)所述自然場(chǎng)景中的材質(zhì)類別總數(shù)，并編制材質(zhì)索 引表，所述材質(zhì)索引表中包括材質(zhì)索引編號(hào)、材質(zhì)層數(shù)、材質(zhì)名稱和材質(zhì)厚度，其中根據(jù)所 述材質(zhì)名稱可以得到材質(zhì)的密度、比熱容、熱傳導(dǎo)系數(shù)、太陽(yáng)短波吸收率、長(zhǎng)波發(fā)射率、天空 長(zhǎng)波吸收率和/或自發(fā)輻射系數(shù)；
[0013] S23.根據(jù)所述自然場(chǎng)景的幾何模型紋理的材質(zhì)分類結(jié)果，生成所述自然場(chǎng)景的材 質(zhì)紋理，材質(zhì)紋理的像素值為自然場(chǎng)景的幾何模型紋理中對(duì)應(yīng)的材質(zhì)在材質(zhì)索引表中的材 質(zhì)索引編號(hào)。
[0014] 其中，所述材質(zhì)索引表還包括：邊界類型和邊界條件參數(shù)；所述邊界類型包括上 邊界類型和下邊界類型；所述邊界條件參數(shù)包括溫度、風(fēng)速和熱流。
[0015] 其中，所述步驟S3包括：
[0016] 根據(jù)所述自然場(chǎng)景的幾何模型和所述自然場(chǎng)景的材質(zhì)紋理，采用一維瞬態(tài)熱傳導(dǎo) 模型
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于OptiX自然場(chǎng)景溫度場(chǎng)計(jì)算方法，其特征在于，包括：
51. 建立某一自然場(chǎng)景的幾何模型，并形成所述自然場(chǎng)景的幾何模型紋理，其中，所述 自然場(chǎng)景的幾何模型由若干個(gè)幾何面元構(gòu)成；
52. 對(duì)所述自然場(chǎng)景的幾何模型紋理進(jìn)行材質(zhì)分類，將幾何模型紋理中的不同材質(zhì)分 開(kāi)，生成所述自然場(chǎng)景的材質(zhì)紋理，材質(zhì)紋理的像素值為自然場(chǎng)景的幾何模型紋理中對(duì)應(yīng) 的材質(zhì)在材質(zhì)索引表中的材質(zhì)索引編號(hào)；
53. 根據(jù)所述自然場(chǎng)景的幾何模型和所述自然場(chǎng)景的材質(zhì)紋理，利用一維熱傳導(dǎo)模型 采用OptiX對(duì)所述自然場(chǎng)景的幾何模型中的所有幾何面元進(jìn)行一維熱傳導(dǎo)并行計(jì)算，得到 所述自然場(chǎng)景的幾何模型中每個(gè)幾何面元的溫度分布。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的自然場(chǎng)景溫度場(chǎng)計(jì)算方法，其特征在于，所述步驟S2包括：
521. 對(duì)所述自然場(chǎng)景的幾何模型紋理進(jìn)行材質(zhì)分類；
522. 根據(jù)所述材質(zhì)分類結(jié)果統(tǒng)計(jì)所述自然場(chǎng)景中的材質(zhì)類別總數(shù)，并編制材質(zhì)索引 表，所述材質(zhì)索引表中包括材質(zhì)索引編號(hào)、材質(zhì)層數(shù)、材質(zhì)名稱和材質(zhì)厚度，其中根據(jù)所述 材質(zhì)名稱可以得到材質(zhì)的密度、比熱容、熱傳導(dǎo)系數(shù)、太陽(yáng)短波吸收率、長(zhǎng)波發(fā)射率、天空長(zhǎng) 波吸收率和/或自發(fā)輻射系數(shù)；
523. 根據(jù)所述自然場(chǎng)景的幾何模型紋理的材質(zhì)分類結(jié)果，生成所述自然場(chǎng)景的材質(zhì)紋 理，材質(zhì)紋理的像素值為自然場(chǎng)景的幾何模型紋理中對(duì)應(yīng)的材質(zhì)在材質(zhì)索引表中的材質(zhì)索 引編號(hào)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的自然場(chǎng)景溫度場(chǎng)計(jì)算方法，其特征在于，所述材質(zhì)索引表還 包括：邊界類型和邊界條件參數(shù)；所述邊界類型包括上邊界類型和下邊界類型；所述邊界 條件參數(shù)包括溫度、風(fēng)速和熱流。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的自然場(chǎng)景溫度場(chǎng)計(jì)算方法，其特征在于，所述步驟S3包括： 根據(jù)所述自然場(chǎng)景的幾何模型和所述自然場(chǎng)景的材質(zhì)紋理，采用一維瞬態(tài)熱傳導(dǎo)模型 A ,·,·， ^ rj-t = 計(jì)算每個(gè)幾何面元的溫度分布，其中，P為介質(zhì)密度，C為介質(zhì)比熱容，k為 Ot OZ ~ 熱傳導(dǎo)系數(shù)，Z為面元法線方向厚度； 其中，在進(jìn)行上述幾何面元溫度分布求解時(shí)需要設(shè)定上下表面的邊界條件，所述自然 場(chǎng)景的幾何模型包括地表和/或建筑物，對(duì)于包含地表的自然模型，地面下的邊界條件為 到達(dá)地下一定深度后溫度保持恒定不變，用公式表示為T I z = H= T _st，其中H代表地下深 度，T_s代表該深度一下的恒定溫度值；地面上表面暴露在自然環(huán)境中，其邊界條件為熱平 衡條件，其熱平衡方程為 α 2Esky_ ε σ T4-Hg-LEg-G = 0 其中，G = -α η α2、ε分別為太陽(yáng)短波吸收率、天空長(zhǎng)波吸收率和自發(fā)輻射系數(shù)，Esun為太陽(yáng)輻照度，E sky為 天空輻照度，ε 〇 T4為自發(fā)輻射能量，H 8為地表顯熱交換損失，LE g為潛熱交換損失，G為地 表向下熱傳導(dǎo)損失。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的自然場(chǎng)景溫度場(chǎng)計(jì)算方法，其特征在于，對(duì)于包含建筑物的 自然場(chǎng)景，上邊界對(duì)應(yīng)建筑物外側(cè)，滿足熱平衡條件α 2Esky_ ε σ T4-Qranv-G = 0 ;下 邊界對(duì)應(yīng)建筑內(nèi)側(cè)，存在自然對(duì)流熱交換，滿足條件Ε_ν I ζ = Η = h (Τ-Τ a);其中，Q_v為對(duì)流 換熱，h為建筑內(nèi)表面與室內(nèi)空氣對(duì)流系數(shù)，Ta為室內(nèi)溫度。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的自然場(chǎng)景溫度場(chǎng)計(jì)算方法，其特征在于，所述地表包括多種 材質(zhì)，所述建筑物也包括多種材質(zhì)； 在任意兩種材質(zhì)的交界處采用熱平衡條件來(lái)求解材質(zhì)交界節(jié)點(diǎn)處的溫度，兩種材質(zhì)中 間節(jié)點(diǎn)熱平衡方程為：
其中，式中Tf代表t時(shí)刻第η個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫度，Λ τ和ΛΖ分別為時(shí)間步長(zhǎng)和距離步 長(zhǎng)，a為熱擴(kuò)散系數(shù)，kp 1^2為熱傳導(dǎo)系數(shù)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的自然場(chǎng)景溫度場(chǎng)計(jì)算方法，其特征在于，還包括： 為每一個(gè)幾何面元設(shè)計(jì)多個(gè)采樣點(diǎn)，計(jì)算每個(gè)采樣點(diǎn)的溫度，由多個(gè)采樣點(diǎn)決定一個(gè) 面兀的溫度。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的自然場(chǎng)景溫度場(chǎng)計(jì)算方法，其特征在于，還包括： 根據(jù)所述自然場(chǎng)景的幾何模型中的幾何面元上的采樣點(diǎn)的幾何模型紋理坐標(biāo)，通過(guò)反 向紋理映射生成溫度紋理，其中，所述自然場(chǎng)景的幾何模型中某一采樣點(diǎn)的幾何模型紋理 坐標(biāo)為（x，y)，對(duì)應(yīng)的溫度紋理像素坐標(biāo)為（m，η)，要生成的溫度紋理的寬高分別為W和H， 映射方式為：m = xX (W-I) ;n = yX (H-I);根據(jù)某一采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度紋理像素坐標(biāo)，把 計(jì)算得到的該采樣點(diǎn)的溫度值保存在對(duì)應(yīng)的像素點(diǎn)，生成包圍幾何模型的溫度紋理。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的自然場(chǎng)景溫度場(chǎng)計(jì)算方法，其特征在于，還包括： 對(duì)生成的溫度紋理進(jìn)行零值檢測(cè)，并采用濾波的方法對(duì)所有零值點(diǎn)進(jìn)行填補(bǔ)。
10. -種基于OptiX的自然場(chǎng)景溫度場(chǎng)計(jì)算系統(tǒng)，其特征在于，包括幾何模型建立單 元、材質(zhì)紋理形成單元和溫度場(chǎng)計(jì)算單元； 所述幾何模型建立單元，用于建立某一自然場(chǎng)景的幾何模型，并形成所述自然場(chǎng)景的 幾何模型紋理，其中，所述自然場(chǎng)景的幾何模型由若干個(gè)幾何面元構(gòu)成； 所述材質(zhì)紋理形成單元，用于對(duì)所述自然場(chǎng)景的幾何模型紋理進(jìn)行材質(zhì)分類，將幾何 模型紋理中的不同材質(zhì)分開(kāi)，生成所述自然場(chǎng)景的材質(zhì)紋理，材質(zhì)紋理的像素值為自然場(chǎng) 景的幾何模型紋理中對(duì)應(yīng)的材質(zhì)在材質(zhì)索引表中的材質(zhì)索引編號(hào)； 所述溫度場(chǎng)計(jì)算單元，用于根據(jù)所述自然場(chǎng)景的幾何模型和所述自然場(chǎng)景的材質(zhì)紋 理，利用一維熱傳導(dǎo)模型采用OptiX對(duì)所述自然場(chǎng)景的幾何模型中的所有幾何面元進(jìn)行一 維熱傳導(dǎo)并行計(jì)算，得到所述自然場(chǎng)景的幾何模型中每個(gè)幾何面元的溫度分布。
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于OptiX的自然場(chǎng)景溫度場(chǎng)計(jì)算方法，包括：建立某一自然場(chǎng)景的幾何模型，并形成所述自然場(chǎng)景的幾何模型紋理，其中，所述自然場(chǎng)景的幾何模型由若干個(gè)幾何面元構(gòu)成；對(duì)所述自然場(chǎng)景的幾何模型紋理進(jìn)行材質(zhì)分類，生成所述自然場(chǎng)景的材質(zhì)紋理，材質(zhì)紋理的像素值為自然場(chǎng)景的幾何模型紋理中對(duì)應(yīng)的材質(zhì)在材質(zhì)索引表中的材質(zhì)索引編號(hào)；根據(jù)所述自然場(chǎng)景的幾何模型和所述自然場(chǎng)景的材質(zhì)紋理，利用一維熱傳導(dǎo)模型采用OptiX對(duì)所述自然場(chǎng)景的幾何模型中的所有幾何面元進(jìn)行一維熱傳導(dǎo)并行計(jì)算，得到所述自然場(chǎng)景的幾何模型中每個(gè)幾何面元的溫度分布。本發(fā)明提供的方法能夠顯著提高計(jì)算速度和提高紅外仿真的熱分辨率。
【IPC分類】G06T17-30
【公開(kāi)號(hào)】CN104835203
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510184929
【發(fā)明人】王霞, 汪昊, 金偉其, 劉莉, 龍騰
【申請(qǐng)人】北京理工大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年8月12日
【申請(qǐng)日】2015年4月17日