馮海潮，王羽羽，張則言

（1.32215 部隊，河北張家口 075421；2.63966 部隊，北京 100000）

隨著高新武器裝備裝配部隊，有效保存其戰(zhàn)斗力成為十分迫切的任務。運用假目標能有效分散敵方注意力，提高真目標的生存能力。在示假過程中，假目標在可見光波段的性能是評價其示假效果的重要指標之一。一般來講，假目標的各項示假指標是通過評價其與真目標相應特征的相似程度實現的，這種評價方法保證了假目標的示假效果。由于受到天氣、場地、經費等因素影響，假目標示假性能試驗受到極大限制。

隨著技術的發(fā)展和進步，三維建模和仿真技術的發(fā)展為坦克假目標示假性能試驗仿真提供了條件[1-5]，為提高假目標在可見光波段示假性能試驗的效率，降低試驗風險，擬對坦克假目標示假性能仿真試驗進行研究，探索仿真試驗路徑。利用真坦克仿真模型，將通過仿真得到的坦克圖像與試驗中采集到的假目標及背景圖像實現同態(tài)同背景條件下的比對，實現對假目標空中可見光波段示假性能的評價，并將這些功能以軟件集成的方式實現。

1 二維仿真圖像轉換

經過前期研究，可以實現對真坦克的三維建模，通過利用坦克表面顏色與環(huán)境的映射關系，可以模擬仿真坦克在不同環(huán)境參數下坦克的渲染，得到特定三維坦克仿真圖像[6-7]。為了實現假目標可見光示假性能試驗效果，需要將三維坦克仿真圖像轉換為二維圖像，生成二維仿真試驗圖像。本文利用OpenGL 實現目標二維仿真圖像轉換。

在任何一個三維仿真系統(tǒng)中，坐標變換是最核心和最基礎的功能模塊之一，也是確保高精度解算三維數據的前提之一。

因為自然物質世界是三維的，用于顯示及處理的物體模型的原始坐標一般用（x，y，z）表示，x、y通常用來表示物體的地理水平坐標，z用來表示物體的地理高度坐標。從數據處理維度的角度上講，三維目標模型的顯示過程本質上是一種高維數據到低維數據的數學映射過程，因此，到最終顯示到屏幕或者圖像上，三維目標模型的坐標需要經過一系列的數學變換。

本文的投影方式采用透視投影。當物體的坐標經由地理坐標系、成像坐標系、相面坐標系后，到最終顯示在平面上，還需經過一個基礎變換，即視體剪裁變換。這個變換是計算機圖形處理獨有的。視體剪裁變換前，首先需要定義一個虛擬三維空間，稱為視空間（Viewing Volume）。視空間的形狀依投影類型而定，對正射投影而言，這個視體為長方體；對透視投影而言，這個視體為一個首尾截斷的三椎體。這個視體的作用是將一些在視體之外的物體不予顯示，從而降低圖形渲染的各種開銷。然后，在顯示屏幕上定義一個二維坐標系，稱為視口（Viewport）。實際場景通過剪裁處理后轉換到視空間中，最終投影到視口上顯示出來。最后，為了使物理顯示坐標系和屏幕坐標系之間的統(tǒng)一，還需定義一個坐標系，即屏幕物理坐標系。

透視投影最大的特點是物體會隨離視點的距離增大而變小，最終消失在滅點處。透視投影符合人類視覺習慣，它的視體為一個頭尾被部分截斷的三棱錐，也叫棱臺。這種投影方式通常用于虛擬現實、視覺仿真等方面。OpenGL 中利用一個投影函數glPerspective來設置透視投影變換參數，其實際數學操作是建立了一個透視投影矩陣F，具體如下。

式（1）（2）中，只定義了透視視體近裁面的角點坐標，即左下點（Lleft，Lbottom，-Lnear）與右上點（Lright，Ltop，-Lnear），其中Lnear和Lfar表示離視點的遠近，它們總為正值。

綜上，通過一些列數學變換，三維世界中的物體最終被顯示在二維的屏幕坐標系或者圖像坐標系內。具體的流程如圖1 所示。

圖1 三維圖形的顯示流程

2 試驗圖像仿真

二維仿真圖像轉換技術實現的關鍵在于三維仿真模型渲染效果與試驗拍攝條件的對應程度，考慮將試驗環(huán)境參數同步作用于三維仿真模型，將采集參數對應的影響因子通過仿真渲染作用于目標三維模型，然后將三維仿真模型轉換后的二維圖像融合到試驗背景圖像中，達到仿真試驗目的。

二維背景是試驗拍攝的照片，只能顯示在一個平面上。為達到仿真試驗圖像效果，二維背景平面（試驗照片）必須與三維坐標系中的虛擬相機光軸垂直，即與虛擬三維環(huán)境中的成像平面平行，稱之為背景平面。因此，可以把三維目標和背景平面放置在同一三維坐標系中進行渲染，條件是三維目標需要遠離背景平面。

虛擬相機具有近裁剪平面和遠裁剪平面2 個裁剪平面。超過近裁剪平面和遠裁剪平面的對象將超出渲染范圍而不被渲染。據此，可以將三維目標放置在近裁剪平面和遠裁剪面平之間，把背景平面放置在靠近遠裁剪平面的位置，從而實現三維目標的合理渲染效果，得到仿真圖像，如圖2 所示。

圖2 三維目標與二維背景合成

試驗圖像需要通過試驗現場采集得到，同時記錄拍攝時間、太陽高度角、拍攝高度、目標位置坐標等環(huán)境參數，利用OpenGL 中環(huán)境映射功能將試驗參數作用于真目標三維模型，實現對目標三維模型的渲染和二維仿真試驗圖像的生成。

3 軟件實現

根據仿真試驗的需求，通過編制軟件集成上述各項功能實現仿真試驗過程。軟件系統(tǒng)主要是根據外部試驗參數的變化，實現三維模型的渲染，并將坦克二維仿真圖像與試驗圖像合成，得到仿真試驗圖像。

根據軟件系統(tǒng)總體設計，對軟件操作界面、目標建模與渲染、日照仿真等功能的具體構成、主要原理及實施方法進行簡要論述。

軟件采用單一windows 窗口作為主界面，包括系統(tǒng)菜單欄、場景顯示區(qū)、背景圖片列表、仿真條件輸入控件組、常規(guī)功能控件組等界面元素。為論述方便，定義若干對象如下：

Main_window：主窗口；

MenuBar：系統(tǒng)菜單欄；

Scene_port：場景顯示區(qū)；

Ⅰmage_list：背景圖片列表；

Edit[title]：輸入框；

Button[title]：按鈕。

3.1 系統(tǒng)菜單欄（MenuBar）

由于軟件的主要功能均能夠在窗口內部依次展開，所見即所得，可以直接操縱，因此菜單欄采取了簡化設計，僅僅保留了基本功能，具體如下。

文件菜單：保留了退出系統(tǒng)功能；

幫助菜單：保留了版本提示功能。

3.2 場景顯示區(qū)（Scene_port）

場景顯示區(qū)占據主窗口（Main_window）的大部分區(qū)域，按注意力習慣和右手操縱偏好，將場景顯示區(qū)設置于窗口的左側，采用靜態(tài)矩形控件創(chuàng)建（static control）。場景顯示區(qū)相對于Main_window 的位置和大小設置為：

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。

當Main_window 的位置和大小發(fā)生改變時，場景顯示區(qū)也將進行自動的相對調整，在Resize 消息響應中實現。

3.3 背景圖片列表（Image_list）

背景圖片列表用于顯示指定目錄下的所有圖片，支持的格式包括BMP、JPG 兩種。當選中列表中某一項時，場景顯示區(qū)將呈現相應的背景圖片。Ⅰmage_list的定位設置如下：

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。

背景圖片列表將默認裝入軟件程序所在目錄下“backs”文件夾中的預留圖片序列。

在圖像列表下方添加2 個按鈕：列表清空按鈕、列表加載按鈕，分別表示為Button[clean]、Button[load]，定位在列表的下方。

3.4 仿真條件輸入控件組

仿真條件主要包括太陽高度角、拍攝時間、拍攝高度等，分別表示為Edit[sun_angle]、Edit[sun_time]、Edit[height]，并采用編輯框控件表示，定位設置在Ⅰmage_list 的左下方。

為了保證軟件系統(tǒng)得到合理的仿真條件，需要設置各個編輯控件的有效輸入范圍：

Edit[sun_angle] ：[30-90]（°）；

Edit[sun_time] ：[6-18]（h）；

Edit[height] ：[10-1000]（m）。

為了增強光照仿真效果，系統(tǒng)為三維目標添加了陰影效果，相應增加了調節(jié)控件組，分別是陰影投射方向控件（ Slider[orient] ）、 陰影對比度控件（Slider[gray]），均采用滑塊控件（slider control）表示。陰影方向的調節(jié)范圍是[0，359]（°），陰影對比度的調節(jié)范圍是[1，10]。陰影調節(jié)控件組定位在顯示區(qū)的下面靠近中部。

3.5 常規(guī)功能控件組

常見功能控件組包括“保存”按鈕、“退出”按鈕，采用標準按鈕控件表示，定位在Main_window 的右下角。軟件系統(tǒng)完整操作界面如圖3 所示。

圖3 軟件系統(tǒng)主界面

4 有效性驗證

根據試驗要求，采集真坦克試驗圖像，記錄試驗環(huán)境參數。利用軟件將試驗環(huán)境參數作用于三維坦克模型，載入試驗圖像作為背景平面，調整坦克模型到適當位置，生成仿真試驗圖像。為驗證仿真坦克有效性，截取仿真圖像中真坦克圖像和仿真坦克圖像，分別提取各自圖像特征，通過與真坦克圖像的綜合相似度指標對仿真坦克的仿真效果進行驗證[8]。圖4 為利用軟件將仿真坦克模型與真坦克及背景圖像融合效果圖，即用軟件合成的仿真試驗圖像。

圖4 仿真試驗圖像生成

4.1 坦克圖像截取

得到仿真試驗圖像后，截取其中真坦克和仿真坦克圖像，為實現對二者的全面比較，在對坦克圖像進行截取時，連同其陰影一起截取。圖5 為兩輛真坦克和兩個仿真坦克截取圖像。

圖5 目標截取

4.2 綜合相似度評價

為實現對仿真坦克仿真效果的量化評價，本文利用文獻[8]中圖像特征提取與圖像綜合相似度計算方法對截取的兩輛真坦克和兩個仿真坦克圖像進行評價，結果如表1 所示。

表1 仿真坦克與真坦克間圖像相似度（單位：%）

通過分析表1 中數據可知，仿真坦克與真坦克圖像的綜合相似度均在80%以上，其中仿真坦克1、真坦克2 間的圖像綜合相似度最小，為81.8%，仿真坦克2、真坦克1 間的圖像綜合相似度最大，為91.0%，綜合相似度均值為87.5%，在較高水平，可用于仿真試驗。

5 結論

本文利用三維建模和仿真技術對坦克假目標在可見光波段的示假性能仿真試驗進行了初步探索，通過坐標變換及渲染，將坦克三維模型轉換成試驗條件下的二維圖像，利用軟件實現背景載入、采集參數輸入、三維坦克模型預置渲染等功能，得到坦克假目標仿真試驗圖像。通過相似度計算，得到的仿真坦克圖像與真坦克圖像的特征相似度均值達到了87.5%，可用于仿真試驗。在下一步的研究中，需要對坦克的熱紅外和雷達圖像進行仿真研究，為假目標多波段示假性能試驗提供支撐。