徐吉輝，王文惲，孫 媛

（海軍航空工程學院科研部，山東煙臺264001）

反艦導彈紅外視景仿真

徐吉輝，王文惲，孫 媛

（海軍航空工程學院科研部，山東煙臺264001）

隨著反艦導彈武器系統(tǒng)的快速發(fā)展，艦船反導攔截系統(tǒng)迫切需要對其進行追蹤與防御。而作為近程防御探測設(shè)備，紅外探測器需要為攔截系統(tǒng)提供目標指示。研究了反艦導彈的紅外視景仿真，使用Creator軟件完成對導彈彈體的幾何建模；使用Vega Prime軟件完成視景配置；通過C++語言應用程序接口API調(diào)用ACF文件完成紅外圖像的生成；構(gòu)建了導彈飛行驅(qū)動模塊、尾焰模塊、紅外圖像生成模塊和氣象仿真模塊，并生成了典型導彈攻擊航路的紅外圖像序列，為目標指示、識別和跟蹤提供了仿真技術(shù)思路，在紅外視景仿真開發(fā)實現(xiàn)上具有一定實用性。

反艦導彈；視景仿真；Creator；Vega Prime

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality）是用計算機生成逼真的三維世界，人作為參與者通過適當裝置對虛擬世界進行體驗和交互[1]。視景仿真作為虛擬現(xiàn)實的一個重要表現(xiàn)形式，在軍事、教學、科研、娛樂等許多領(lǐng)域都得到廣泛應用。特別是在軍事領(lǐng)域，比如導彈試驗發(fā)射，要耗費大量資金，并且有危險性、強噪音等不利因素，采用視景仿真的模擬系統(tǒng)可以提供一個經(jīng)濟、安全、逼真的環(huán)境。

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，視景仿真軟件開發(fā)平臺日益完善，虛擬現(xiàn)實技術(shù)也隨之日益成熟。本文以反艦導彈為對象，對海天環(huán)境下反艦導彈進行了紅外視景仿真，并生成了典型導彈攻擊航路的紅外圖像序列。

1 導彈三維建模

Creator是實時三維數(shù)據(jù)庫建模軟件，生成實時的OpenFlight數(shù)據(jù)格式，具有強大的多邊形建模、矢量建模、地形精確生成等功能[2]。

在利用Creator建模時，需要確定導彈的物理結(jié)構(gòu)并制作紋理。一般來說，飛行狀態(tài)的導彈可見的基本結(jié)構(gòu)包括：彈頭、彈身、尾噴口、側(cè)翼、尾翼等。對于導彈的構(gòu)造，首先根據(jù)導彈結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，設(shè)置彈頭頂點、側(cè)翼頂點、尾翼頂點等特征點為放樣點，在邊沿特征線處勾畫放樣線，在彈身不同部位的垂直橫截面處創(chuàng)建與其形狀一致的放樣面；然后，在根據(jù)不同部位放樣點、線、面歸屬不同的Object結(jié)點，放樣點、線、面的層次結(jié)構(gòu)；接著就是利用Creator的Loft工具[3]，將每個Object結(jié)點中的放樣點、線、面，根據(jù)其實際的形體結(jié)構(gòu)，放樣為導彈的不同的位置。此外，還將用到LOD、DOF等技術(shù)。圖1為基于Creator的反艦導彈三維建模效果。

圖1 反艦導彈三維建模效果圖Fig.1 Three-dimensional modeling of anti-ship missile

OpenFlight是實時視景仿真領(lǐng)域三維模型數(shù)據(jù)庫，它是一個分層的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，采用幾何層次結(jié)構(gòu)和節(jié)點屬性來描述三維物體。OpenFlight API是一套用于讀寫OpenFlight模型的應用程序接口，它可以為Creator開發(fā)插件，用于增強Creator的功能或擴展OpenFlight格式；也可以集成到獨立應用程序，完成諸如OpenFlight模型建模、格式轉(zhuǎn)換等工作[4]。本文利用OpenFlight API開發(fā)一個Creator擴展插件，使Creator能夠生成一個新的紅外信息存儲節(jié)點IRnode，并在該節(jié)點存儲相應的紅外參數(shù)。

2 視景場景的生成

在Lynx Prime配置完成生成ACF文件后，就可以將其以三維場景的方式顯示出來，但此時場景中的任意三維模型都是靜態(tài)的或只能按事先規(guī)劃好的方式以動態(tài)形式呈現(xiàn)的，使用者不能與之交互。因此，在完成三維視景配置之后還需要完成視景仿真的環(huán)境設(shè)計工作，通過視景仿真的環(huán)境設(shè)計，可以達到滿足要求的各種感官效果以及用戶與虛擬視景的交互[5]。

三維視景仿真包括4大模塊：①導彈飛行驅(qū)動模塊；②尾焰仿真模塊；③紅外圖像生成模塊；④氣象仿真模塊等。通過這4個模塊組成的仿真可以提供給用戶一個具有較強真實感的可交互的三維虛擬視景。

2.1 導彈飛行驅(qū)動模塊

導彈飛行的實現(xiàn)主要是通過彈道模型解算空間位置和姿態(tài)，然后控制模型在虛擬場景中的六自由度運動。其主要實現(xiàn)函數(shù)是setTranslate和setRotate，分別表示對象沿XYZ軸的平移和旋轉(zhuǎn)。

圖2 Vega Prime坐標系統(tǒng)Fig.2 Coordinates of VegaPrime

Vega Prime中默認的視點是沿著Y軸正方向的，將導彈三維模型加到虛擬場景中，彈頭方向指向+Y。其中，+X指向右，+Y指向前，+Z指向上；+H指看向左旋轉(zhuǎn)，+P指向上旋轉(zhuǎn)，+R指運動轉(zhuǎn)向右邊旋轉(zhuǎn)，負向與正向相反。

2.2 尾焰仿真模塊

導彈飛行過程中發(fā)動機尾焰的模擬是生成導彈紅外圖像過程中十分重要的方面。本文采用粒子系統(tǒng)來實現(xiàn)對導彈尾焰羽流的模擬。

Vega Prime具有功能強大的粒子系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)碰撞爆炸、導彈發(fā)動機尾噴焰和尾跡等多種特效，但是需要設(shè)置較為復雜的控制參數(shù)，不易掌握。因為導彈尾焰的運動方向一直沿著導彈縱軸方向，所以可以通過導彈的姿態(tài)角，間接地計算導彈尾焰粒子系統(tǒng)各軸線上的速度分量，由此控制尾焰粒子的運動方向。關(guān)鍵程序代碼如下：

在設(shè)計粒子系統(tǒng)的過程中，選擇合理的粒子屬性，采用合理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對尾焰模擬的效果起著至關(guān)重要的作用。影響尾焰效果的屬性有很多，例如空間位置、速度、顏色、尺寸、透明度等[6]。

粒子系統(tǒng)用以下公式來定義參數(shù)：

式（1）中：n為當前幀數(shù)；P(fn)、V(fn)、C(fn)、T(fn)和L(fn)分別為粒子的當前位置、運動速度、顏色、透明度和生命周期；M為慣性權(quán)重，是常數(shù)；V、C、T和L分別為粒子的運動速度、顏色、透明度和生命周期的平均值；VS、VC、VT和VL分別為粒子的運動速度、顏色、透明度和生命周期的最大變化范圍；Rand()為(0,1)上的隨機數(shù)；A、ΔC、ΔT和ΔL分別為粒子的運動加速度、顏色的變化率、透明度的變化率和生命周期的變化率，可定義為常數(shù)。

隨著粒子系統(tǒng)時間的變化，當粒子的生命值減為零時，認為其消亡。以下3種情況可認為粒子消亡：

1）粒子運動使其空間位置超出預設(shè)的圖像區(qū)域或顯示范圍；

2）粒子的顏色低于某一規(guī)定值；

3）粒子的透明度為0。

在粒子繪制時，使用多邊形面片同時貼上紋理來代替點粒子，這樣可以大大減少粒子數(shù)量，同時使用動態(tài)貼圖技術(shù)，使尾焰的紋理貼圖和紋理坐標隨時間和空間的變化而改變，這樣便可以提高系統(tǒng)的性能。

2.3 紅外圖像生成模塊

紅外圖像生成模塊是本文重要的一個模塊，其功能是利用視景生成目標的紅外圖像序列，該仿真模塊的建模流程圖如圖3所示。

圖3 紅外仿真模塊建模流程圖Fig.3 Flow chart of infrared simulation module’s modeling

考慮到大多數(shù)情況下模型的某一部分具有相同的紅外特性，比如導彈的蒙皮，雖然可能在某一瞬間蒙皮各處的溫度并不相同，但幾秒后就基本可以達到熱量平衡，所以可以假設(shè)蒙皮具有相同的紅外特性。此處通過擴展OpenFlight模型格式生成的新節(jié)點IRnode存儲所有子節(jié)點的紅外屬性，該節(jié)點可以作為Group、Object類型節(jié)點的父節(jié)點，這樣就可以將蒙皮所在的Group或Object對象作為IRnode的子節(jié)點，可以在數(shù)據(jù)字典中定義父子關(guān)系，其代碼如下：

IRnode的層次關(guān)系如圖4所示。

圖4 IRnode節(jié)點屬性Fig.4 Attribute of IRnode

模型的各節(jié)點紅外屬性在仿真中可以通用Open-Fight API獲取，也可以使用Vega Prime的回調(diào)函數(shù)獲取。同時，還需運用后處理技術(shù)為紅外仿真視景加入了噪聲模型、運動模糊和傳感器效應等效果。

為了獲得更加逼真的仿真效果，必須加入傳感器效應，模擬傳感器平臺抖動、噪聲、運動模糊、光暈效果等。傳感器噪聲的實現(xiàn)可以通過添加噪聲紋理，在片段著色器中以一定方式訪問該紋理，并疊加到最終圖像上。運動模糊的實現(xiàn)一般采用在一個單獨的路徑中渲染場景，或使用多渲染對象，然后將速度信息輸出到某一渲染對象中，以生成一個逐像素的速度緩存；另一種實現(xiàn)運動模糊的技術(shù)是將深度緩存當作一個紋理輸入到一個片段著色器中，以生成場景的速度圖；片段著色器使用深度值計算每個片段的世界坐標，并通過前一幀的觀察投影矩陣進行變換，便可計算出當前幀和前一幀在視圖位置的差別，以生成逐像素速度值。

2.4 氣象仿真模塊

考慮到導彈能夠在不同天氣中飛行，那么觀測設(shè)備有很大的可能在復雜的天氣情況下工作。同樣，視景仿真需要模擬出多種環(huán)境下導彈的飛行。模塊給出了3種天氣情況：多云、晴朗和陰雨，其中默認的天氣情況是多云。

在Vega Prime中，太陽、月亮、天空和云層等共同組成了天氣環(huán)境。其中天空和云層的紋理可以根據(jù)動態(tài)改變。這樣，可以通過變換天空和云層的紋理來達到改變天氣的目的，通過函數(shù)setTextureFile（const char*name）來加載天氣狀況的紋理。

此外，使用vpEnvRain類和vpEnvSnow類來實現(xiàn)雨雪天氣的效果[7]。雨雪天氣實際上使用的Vega Prime內(nèi)置的粒子系統(tǒng)。陰雨天氣的仿真效果如圖5所示。

圖5 陰雨天氣仿真效果圖Fig.5 Simulation of raining weather

3 仿真結(jié)果

仿真采用中緯度夏季大氣模式，時間參數(shù)設(shè)置為中午12點，得到的彈體紅外熱像圖如圖6所示。

圖6 彈體紅外仿真圖Fig.6 Infrared simulation of missile’s body

從對象彈彈體紅外仿真圖可以清楚地觀察到發(fā)動機、尾噴口附近的紅外輻射明顯強于蒙皮的紅外輻射，結(jié)果符合實際情況。

圖7中，從上至下分別為導彈8～12 μm波段和3～5 μm波段紅外仿真圖，可見3～5 μm波段的紅外仿真圖更明亮，這是因為在溫度相同條件下，該波段導彈尾焰的紅外輻射強度的值更大。將模型計算所得參數(shù)用于尾焰紅外圖像的生成，可以看到尾焰的初始段和過渡段的界限，但是過渡段與基本段的界限則模糊不可見。由于3～5 μm波段圖像顯示更明顯，后面的仿真都利用該波段。

圖7 導彈尾焰雙波段紅外仿真圖Fig.7 Two wave band infrared simulation of missile’s Trail

接著，在海洋環(huán)境下生成導彈的紅外圖像，得到導彈的紅外視景圖像，如圖8所示。

圖8 導彈紅外視景仿真圖Fig.8 Infrared simulation of missile

然后，對飛行中的導彈進行仿真，生成圖像序列。仿真實驗共生成導彈3條攻擊航路的紅外圖像序列。1號攻擊航路：導彈沿著與艦艇的連線，直接對靶艦進行攻擊。2號攻擊航路：導彈沿著直線，對靶艦進行有航路捷徑的攻擊。3號攻擊航路：導彈對靶艦進行有運動過載、無航路捷徑的攻擊。假設(shè)當導彈離靶艦4km處時，紅外探測器方能探測到目標。

為更清楚地了解各紅外圖像序列表示的含義，畫出節(jié)點示意圖如圖9所示。

圖9 攻擊航路節(jié)點示意圖Fig.9 Diagram of attack route’s node

圖10 ～12分別為1～3號攻擊航路的導彈紅外圖像序列，像元總數(shù)384×288，像元尺寸為5 μm×25 μm，波段為3～5 μm，視場為15×9°。

仿真時，采用電子行業(yè)協(xié)會（EIA）RS-170隔行掃描規(guī)程，使屏幕得到每秒60次的刷新速率。為便于顯示，利于觀察，本文分別給出3條攻擊航路下距離靶艦4km、3km、2km、1km、500 m和100 m的導彈紅外圖像序列，一一對應于仿真圖10～12中的各小圖。其中，由2號攻擊航路生成的圖像序列還存在后向觀測的情況，因而給出圖11 c）500 m情況的紅外圖像。

圖10 1號攻擊航路的紅外圖像序列Fig.10 Diagram list of No.1Attack route’s infrared

圖10 是1號攻擊航路的紅外圖像序列，由于圖10 a）～f）中的目標過小，不使用標記。在此攻擊航路下，紅外探測器顯示的圖像中導彈的蒙皮面積占很大的比重，尾焰的可見部分非常少。以圖10 f）為例，標記到導彈彈體的距離在0～6個像元之間。

圖11是2號攻擊航路的紅外圖像序列。在此攻擊航路下，紅外探測器顯示的圖像中導彈尾焰的可見部分越來越大。圖11 a）中標記到導彈彈體的距離在13～17個像元之間，圖11 b）中標記到導彈彈體的距離在71～84個像元之間。

圖11 2號攻擊航路的紅外圖像序列Fig.11 Diagram list of No.2 attack route’s infrared

圖12 是3號攻擊航路的紅外圖像序列。圖12 b）中標記到導彈彈體的距離在0～6個像元之間。

圖12 3號攻擊航路的紅外圖像序列Fig.12 Diagram list of No.3Attack route’s infrared

2號攻擊航路帶有航路捷徑，對于紅外探測器而言，該航路具有特殊性。特別是當彈艦距離接近航路捷徑時，紅外圖像中標記處與導彈彈體之間的距離很大，由于紅外圖像的標記處于彈體與尾焰的中心位置，如果探測器將這一點作為目標點發(fā)送給綜合控制臺，那么此時紅外探測器的水平探測誤差角會很大。圖13所示水平探測誤差角與導彈艦艇之間距離的關(guān)系。圖13中橫軸-500表示2號攻擊航路的節(jié)點為（g），可以查出對應的水平探測誤差角約為0.6°。

圖13 2號攻擊航路下紅外探測器水平誤差角Fig.13 Horizontal error angel of infrared sensor in No.2 attack route

從圖13中不難看出，紅外探測器的水平誤差角的大小隨著彈艦距離的縮短呈指數(shù)型上升，仿真結(jié)果顯示：最大的水平探測誤差角為2.86°，此時彈艦距離等于航路捷徑。

4 結(jié)論

本文采用三維建模軟件和視景仿真軟件對反艦導彈的紅外視景仿真進行了研究，重點闡述了基于Creator軟件的彈體三維建模和導彈飛行驅(qū)動模塊、尾焰模塊、紅外圖像生成模塊和氣象仿真模塊的視景生成原理，并生成了典型導彈攻擊航路的紅外圖像序列，形成了不同航路下的仿真結(jié)果。本文的研究成果為紅外成像設(shè)備對目標探測識別的視景仿真提供了一種技術(shù)思路，具有一定的通用性和實用性。

[1]ZOU XIANGJUN，SUN JIAN.The development and prospects of virtual reality[J].Journal of System Simulation，2004，16（9）：1905-1909.

[2]PRESAGIS USA INC.Creator 4.2 user manual[K].Texas：Presagis USAInc，2011：79.

[3]丁夢雨，蘆利斌，金國棟.基于MFC和Vega Prime的無人機三維視景仿真實現(xiàn)[J].現(xiàn)代計算機，2013（8）：86-87. DING MENGYU，LU LIBIN，JIN GUODONG.Implementation of three-dimensional visual UAV simulation based on MFC and Vega Prime[J].Modern Computer，2013（8）：86-87.（in Chinese）

[4] PRESAGIS USA INC.Open flight API reference[K]. V4.2.Texas：Presagis USAInc.，2011：9.

[5]孔中武，石林鎖，王濤.基于Creator和Vega Prime的導彈飛行視景仿真系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].四川兵工學報，2014，35（10）：111-113. KONG ZHONGWU，SHI LINSUO，WANG TAO.Design and implementation of missile flight scene simulation based on creator and Vega Prime[J].Journal of Sichuan Ordnance，2014，35（10）：111-113.（in Chinese）

[6]王平，陳智剛，郭光全，等.基于Vega的爆炸毀傷視景仿真技術(shù)研究[J].爆破器材，2013，42（4）：29-30. WANG PING，CHEN ZHIGANG，GUO GUANGQUAN，et al.Research on visual simulation of explosion and damage based on Vega[J].Explosive Materials，2013，42（4）：29-30.（in Chinese）

[7]PRESAGIS USA INC.Vegaprime programmer’s guide [K].V4.1.Texas：Presagis USAInc.，2010：298-299.

Infrared Visual Simulation of Anti-Ship Missile

XU Jihui,WANG Wenyun,SUN Yuan
（Department of Scientific Research,NAAU,Yantai Shandong 264001,China）

With the rapid development of anti-ship missile weapon system in each country,anti-missile interceptor sys?tem has an urgent need for tracing and defensing against the missile.And as a short-range defense detection equipment, infrared detection equipment need to provide target designation for the interceptor system.The infrared visual simulation of anti-ship missile was researched and the Creator was used to achieve geometrical modeling of the guided missile body. The Vega Prime was used to accomplish visual configuration.The ACF files was called through C++language application programmers interface to complete the generation of infrared image.Missile flight drive module,plume module,infrared image generation module,auxiliary module was established.Infrared image sequences for typical missile attack routes were generated and provided the idea of simulation technology for the target designation,identification and track.The pa?per had practicability for development of Infrared visual simulation.

anti-ship missile;visual simulation;Creator;Vega Prime

TJ761

A

1673-1522（2015）05-0473-06

10.7682/j.issn.1673-1522.2015.05.015

2015-04-30；

2015-07-25

徐吉輝（1963-），男，副研究員，碩士。