红外多光谱图像仿真研究.pdf

华中科技大学 硕士学位论文 红外多光谱图像仿真研究 姓名：陈云 申请学位级别：硕士 专业：空间信息科学与技术 指导教师：田岩 2011-01-24 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I 摘 要摘 要 红外多光谱图像仿真是现代红外科技领域的关键技术之一，它结合了红外物理 学、传热学、计算机图形学和虚拟现实等多项技术，为红外多光谱成像系统及相关应 用提供了一个逼真模拟平台本文的主要研究工作是对通过熟悉红外多光谱图像仿真 一般流程，并具体针对基于 Vega 平台的红外仿真进行改进传统 Vega 红外仿真方法 中物体温度是基于一维热导方程， 与真实物理过程相差较大 本文提出的基于 Vega 与 ANSYS 的红外多光谱图像仿真采用三维热导方程，使得红外仿真结果更加逼近真实 情况本文提出了两种基于 Vega 平台红外多光谱图像仿真方法，均能得到不同季节、 天气、时间等不同成像条件下的红外多光谱图像 本文首先介绍了红外辐射在大气中的传输特性，分析了不同大气成分对不同波段 红外辐射传输的影响，并给出了相应的计算公式来定量计算大气对红外辐射衰减，本 文是通过 MAT 设定相应成像条件条件来计算得到大气数据。

接着论述了红外多光谱 图像仿真中几个重要环节实现过程，主要利用 Vega 平台进行红外多光谱图像仿真， 这是一种便捷手段 文中简单介绍了Vega平台、 Pro/Engineer进行目标建模和MultiGen Creator 背景建模过程，讨论了一般温度场模型以及求解方法和如何利用 ANSYS 进行 温度场有限元分析，给出了红外多光谱传感器系统仿真框架和实现方法 最后本文详细描述了两种基于 Vega 平台的红外多光谱图像仿真方法： 一种是直接 利用可见光图像将其转为 8~12μm 内四个子波段红外图像，这种方法具有高效特点， 避免了复杂的三维建模工作；另外一种是分别通过 Pro/Engineer 进行目标建模和 MultiGen Creator 背景建模来完成场景模型建立， 借助 ANSYS 有限元分析软件对目标 的温度场进行计算，然后通过 OpenFlight API 格式转换导入到 Vega 平台中进行红外 多光谱图像仿真，最后通过对比实验说明该方法更接近物理过程 在本文的最后，作者总结了全文的研究工作，并提出了本课题后续存在的关键技 术问题，指出了下一步工作 关键词关键词：红外图像仿真，红外多光谱，Vega，温度场，ANSYS，Open Flight 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 II Abstract The simulation of infrared multispectral images is one of leading techniques in modern infrared field. As a combination of infrared physics, heat transfer, computer graphics and virtual reality, the simulation of infrared multispectral images supplies a virtual platform to an infrared multispectral imaging system. This thesis is concerned with improving infrared simulation results that based on the Vega simulation platform. In traditional Vega infrared simulation methods, the temperature of an object is derived from one-dimensional heat conduction function, which results in a high uncertainty from a real physic process. The proposed approach applied a three-dimensional heat conduction function based on Vega and ANSYS infrared multispectral imagery simulation, and produced a superior infrared simulation result in terms of simulation accuracy. This thesis presented two infrared multispectral image simulation methods based on Vega platform. Both of them could generate infrared multispectral images under varied imaging conditions including different seasons, weather and time. This thesis introduced transmission properties of the infrared radiation in the atmosphere, analyzed effects resulting from a variety of atmosphere ingredients on infrared radiation transmission at different bands, and derived equations to quantify these effects respectively. Atmosphere data used in this thesis were obtained by setting imaging conditions in MAT. Several core steps in the implementation process of infrared imagery simulation were also discussed. Due to its conveniences, Vega platform was mainly utilized for infrared multispectral imagery simulation. We also briefly introduced the Vega platform, the process of Pro/Engineer object modeling as well as MultiGen Creator background modeling, discussed a model of regular temperature filed and solutions that applied ANSYS for finite-element analysis, finally, provided a framework of infrared multispectral sensor system as well as ways of implementation. This thesis presented two infrared multispectral imagery simulation methods based on Vega platform in details: One was directly transferring a visible light image into 4 sub-band infrared images ranging from 8~12μm. This method avoided a complex 3D modeling process and was superior in terms of effectiveness. Another method modeled the whole scene through Pro/Engineer object modeling and MultiGen Creator background modeling, 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 III and then imported images into Vega platform for infrared multispectral imagery simulation through OpenFlight API format. Experiments indicated that the presented method was more close to a real physic process. The final part of this thesis provided a conclusion of the whole research as well as future directions. Keywords： Infrared image simulation, infrared multispectral, Vega, temperature distribution, ANSYS, Open Flight 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。

尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果对本文的研究做出贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承 担 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和 借阅 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 保密□ ，在_____年解密后适用本授权书 不保密□ （请在以上方框内打“√”） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪 论 绪 论 1.1 研究背景研究背景 随着科技进步，伪装和干扰技术不断发展，单波段宽带目标探测与识别已不能满 足在复杂条件下的目标识别的需求，多波段探测与多特征信息融合技术即将成为目标 识别的重要手段。

红外多光谱图像既能提供目标的空间信息，又能提供目标的光谱信 息，为红外目标的特征提取、融合和识别提供了分析的数据基础本文根据红外多光 谱成像特点，并以光谱学理论为依据，在对目标红外光谱辐射特性影响因素研究成果 的基础上，分析目标及其背景的红外多光谱辐射特性，获取目标及地物背景红外多光 谱辐射变化规律 通过结合目标/背景以及场景中干扰物的红外多光谱特征信息， 研究 一种速度快、精度高、适用于红外多光谱目标光谱特征提取算法，构造出目标场景的 红外多光谱特征矩阵，研究出适合于特定目标红外特征的多种光谱特征融合和匹配方 法红外多光谱技术又是近十来年发展的新技术，并受到国外技术上的封锁，所以关 于这方面的数据、 文献资料很缺乏，。