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坦克假目标示假性能试验仿真技术研究

2022-11-04冯海潮王羽羽张则言

科技与创新 2022年21期
关键词:控件坐标系投影

冯海潮,王羽羽,张则言

(1.32215 部队,河北张家口 075421;2.63966 部队,北京 100000)

随着高新武器装备装配部队,有效保存其战斗力成为十分迫切的任务。运用假目标能有效分散敌方注意力,提高真目标的生存能力。在示假过程中,假目标在可见光波段的性能是评价其示假效果的重要指标之一。一般来讲,假目标的各项示假指标是通过评价其与真目标相应特征的相似程度实现的,这种评价方法保证了假目标的示假效果。由于受到天气、场地、经费等因素影响,假目标示假性能试验受到极大限制。

随着技术的发展和进步,三维建模和仿真技术的发展为坦克假目标示假性能试验仿真提供了条件[1-5],为提高假目标在可见光波段示假性能试验的效率,降低试验风险,拟对坦克假目标示假性能仿真试验进行研究,探索仿真试验路径。利用真坦克仿真模型,将通过仿真得到的坦克图像与试验中采集到的假目标及背景图像实现同态同背景条件下的比对,实现对假目标空中可见光波段示假性能的评价,并将这些功能以软件集成的方式实现。

1 二维仿真图像转换

经过前期研究,可以实现对真坦克的三维建模,通过利用坦克表面颜色与环境的映射关系,可以模拟仿真坦克在不同环境参数下坦克的渲染,得到特定三维坦克仿真图像[6-7]。为了实现假目标可见光示假性能试验效果,需要将三维坦克仿真图像转换为二维图像,生成二维仿真试验图像。本文利用OpenGL 实现目标二维仿真图像转换。

在任何一个三维仿真系统中,坐标变换是最核心和最基础的功能模块之一,也是确保高精度解算三维数据的前提之一。

因为自然物质世界是三维的,用于显示及处理的物体模型的原始坐标一般用(x,y,z)表示,x、y通常用来表示物体的地理水平坐标,z用来表示物体的地理高度坐标。从数据处理维度的角度上讲,三维目标模型的显示过程本质上是一种高维数据到低维数据的数学映射过程,因此,到最终显示到屏幕或者图像上,三维目标模型的坐标需要经过一系列的数学变换。

本文的投影方式采用透视投影。当物体的坐标经由地理坐标系、成像坐标系、相面坐标系后,到最终显示在平面上,还需经过一个基础变换,即视体剪裁变换。这个变换是计算机图形处理独有的。视体剪裁变换前,首先需要定义一个虚拟三维空间,称为视空间(Viewing Volume)。视空间的形状依投影类型而定,对正射投影而言,这个视体为长方体;对透视投影而言,这个视体为一个首尾截断的三椎体。这个视体的作用是将一些在视体之外的物体不予显示,从而降低图形渲染的各种开销。然后,在显示屏幕上定义一个二维坐标系,称为视口(Viewport)。实际场景通过剪裁处理后转换到视空间中,最终投影到视口上显示出来。最后,为了使物理显示坐标系和屏幕坐标系之间的统一,还需定义一个坐标系,即屏幕物理坐标系。

透视投影最大的特点是物体会随离视点的距离增大而变小,最终消失在灭点处。透视投影符合人类视觉习惯,它的视体为一个头尾被部分截断的三棱锥,也叫棱台。这种投影方式通常用于虚拟现实、视觉仿真等方面。OpenGL 中利用一个投影函数glPerspective来设置透视投影变换参数,其实际数学操作是建立了一个透视投影矩阵F,具体如下。

式(1)(2)中,只定义了透视视体近裁面的角点坐标,即左下点(Lleft,Lbottom,-Lnear)与右上点(Lright,Ltop,-Lnear),其中Lnear和Lfar表示离视点的远近,它们总为正值。

综上,通过一些列数学变换,三维世界中的物体最终被显示在二维的屏幕坐标系或者图像坐标系内。具体的流程如图1 所示。

图1 三维图形的显示流程

2 试验图像仿真

二维仿真图像转换技术实现的关键在于三维仿真模型渲染效果与试验拍摄条件的对应程度,考虑将试验环境参数同步作用于三维仿真模型,将采集参数对应的影响因子通过仿真渲染作用于目标三维模型,然后将三维仿真模型转换后的二维图像融合到试验背景图像中,达到仿真试验目的。

二维背景是试验拍摄的照片,只能显示在一个平面上。为达到仿真试验图像效果,二维背景平面(试验照片)必须与三维坐标系中的虚拟相机光轴垂直,即与虚拟三维环境中的成像平面平行,称之为背景平面。因此,可以把三维目标和背景平面放置在同一三维坐标系中进行渲染,条件是三维目标需要远离背景平面。

虚拟相机具有近裁剪平面和远裁剪平面2 个裁剪平面。超过近裁剪平面和远裁剪平面的对象将超出渲染范围而不被渲染。据此,可以将三维目标放置在近裁剪平面和远裁剪面平之间,把背景平面放置在靠近远裁剪平面的位置,从而实现三维目标的合理渲染效果,得到仿真图像,如图2 所示。

图2 三维目标与二维背景合成

试验图像需要通过试验现场采集得到,同时记录拍摄时间、太阳高度角、拍摄高度、目标位置坐标等环境参数,利用OpenGL 中环境映射功能将试验参数作用于真目标三维模型,实现对目标三维模型的渲染和二维仿真试验图像的生成。

3 软件实现

根据仿真试验的需求,通过编制软件集成上述各项功能实现仿真试验过程。软件系统主要是根据外部试验参数的变化,实现三维模型的渲染,并将坦克二维仿真图像与试验图像合成,得到仿真试验图像。

根据软件系统总体设计,对软件操作界面、目标建模与渲染、日照仿真等功能的具体构成、主要原理及实施方法进行简要论述。

软件采用单一windows 窗口作为主界面,包括系统菜单栏、场景显示区、背景图片列表、仿真条件输入控件组、常规功能控件组等界面元素。为论述方便,定义若干对象如下:

Main_window:主窗口;

MenuBar:系统菜单栏;

Scene_port:场景显示区;

Ⅰmage_list:背景图片列表;

Edit[title]:输入框;

Button[title]:按钮。

3.1 系统菜单栏(MenuBar)

由于软件的主要功能均能够在窗口内部依次展开,所见即所得,可以直接操纵,因此菜单栏采取了简化设计,仅仅保留了基本功能,具体如下。

文件菜单:保留了退出系统功能;

帮助菜单:保留了版本提示功能。

3.2 场景显示区(Scene_port)

场景显示区占据主窗口(Main_window)的大部分区域,按注意力习惯和右手操纵偏好,将场景显示区设置于窗口的左侧,采用静态矩形控件创建(static control)。场景显示区相对于Main_window 的位置和大小设置为:

Scene_port.x=main_window.x+10;

Scene_port.y=main_window.y+10;

Scene_port.width=main_window.width*0.7;

Scene_port.height=main_window.height*0.8。

当Main_window 的位置和大小发生改变时,场景显示区也将进行自动的相对调整,在Resize 消息响应中实现。

3.3 背景图片列表(Image_list)

背景图片列表用于显示指定目录下的所有图片,支持的格式包括BMP、JPG 两种。当选中列表中某一项时,场景显示区将呈现相应的背景图片。Ⅰmage_list的定位设置如下:

Ⅰmage_list.x=scene_port.x+scene.width+10;

Ⅰmage_list.y=scene_port.y;

Ⅰmage_list.width=main_window.width

scene_port.widht;

Ⅰmage_list.height=scene_port.height/2。

背景图片列表将默认装入软件程序所在目录下“backs”文件夹中的预留图片序列。

在图像列表下方添加2 个按钮:列表清空按钮、列表加载按钮,分别表示为Button[clean]、Button[load],定位在列表的下方。

3.4 仿真条件输入控件组

仿真条件主要包括太阳高度角、拍摄时间、拍摄高度等,分别表示为Edit[sun_angle]、Edit[sun_time]、Edit[height],并采用编辑框控件表示,定位设置在Ⅰmage_list 的左下方。

为了保证软件系统得到合理的仿真条件,需要设置各个编辑控件的有效输入范围:

Edit[sun_angle] :[30-90](°);

Edit[sun_time] :[6-18](h);

Edit[height] :[10-1000](m)。

为了增强光照仿真效果,系统为三维目标添加了阴影效果,相应增加了调节控件组,分别是阴影投射方向控件( Slider[orient] )、 阴影对比度控件(Slider[gray]),均采用滑块控件(slider control)表示。阴影方向的调节范围是[0,359](°),阴影对比度的调节范围是[1,10]。阴影调节控件组定位在显示区的下面靠近中部。

3.5 常规功能控件组

常见功能控件组包括“保存”按钮、“退出”按钮,采用标准按钮控件表示,定位在Main_window 的右下角。软件系统完整操作界面如图3 所示。

图3 软件系统主界面

4 有效性验证

根据试验要求,采集真坦克试验图像,记录试验环境参数。利用软件将试验环境参数作用于三维坦克模型,载入试验图像作为背景平面,调整坦克模型到适当位置,生成仿真试验图像。为验证仿真坦克有效性,截取仿真图像中真坦克图像和仿真坦克图像,分别提取各自图像特征,通过与真坦克图像的综合相似度指标对仿真坦克的仿真效果进行验证[8]。图4 为利用软件将仿真坦克模型与真坦克及背景图像融合效果图,即用软件合成的仿真试验图像。

图4 仿真试验图像生成

4.1 坦克图像截取

得到仿真试验图像后,截取其中真坦克和仿真坦克图像,为实现对二者的全面比较,在对坦克图像进行截取时,连同其阴影一起截取。图5 为两辆真坦克和两个仿真坦克截取图像。

图5 目标截取

4.2 综合相似度评价

为实现对仿真坦克仿真效果的量化评价,本文利用文献[8]中图像特征提取与图像综合相似度计算方法对截取的两辆真坦克和两个仿真坦克图像进行评价,结果如表1 所示。

表1 仿真坦克与真坦克间图像相似度(单位:%)

通过分析表1 中数据可知,仿真坦克与真坦克图像的综合相似度均在80%以上,其中仿真坦克1、真坦克2 间的图像综合相似度最小,为81.8%,仿真坦克2、真坦克1 间的图像综合相似度最大,为91.0%,综合相似度均值为87.5%,在较高水平,可用于仿真试验。

5 结论

本文利用三维建模和仿真技术对坦克假目标在可见光波段的示假性能仿真试验进行了初步探索,通过坐标变换及渲染,将坦克三维模型转换成试验条件下的二维图像,利用软件实现背景载入、采集参数输入、三维坦克模型预置渲染等功能,得到坦克假目标仿真试验图像。通过相似度计算,得到的仿真坦克图像与真坦克图像的特征相似度均值达到了87.5%,可用于仿真试验。在下一步的研究中,需要对坦克的热红外和雷达图像进行仿真研究,为假目标多波段示假性能试验提供支撑。

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