第 32 卷 第 2 期 红 外 技 术 Vol.32 No.2 2010 年 2 月 Infrared Technology Feb. 2010 基于 Visual C＋＋和 OpenGL 的红外目标景象仿真研究 黄 迁，张 涛，吕银环，崔文楠 （中国科学院上海技术物理研究所，上海 200083） 摘要：对红外目标的红外辐射特性进行了分析计算，提出了在 Visual C＋＋ 6.0 环境下利用 OpenGL API 对空间目标红外辐射特性进行仿真的方法。针对假定目标给出了该目标在不同观察方向上的辐射 强度并据此生成灰度图像，并利用上海技术物理研究所自行研制的 128×128 像素电阻阵列红外景象 转换器进行了仿真实验，取得了实验结果。对红外目标的红外辐射特性仿真进行研究，为红外景象模 拟提供基础。 关键词：Visual C＋＋；OpenGL；红外景象；红外辐射特性；仿真 中图分类号：TN216 文献标志码：A 文章编号：1001-8891(2010)02-0101-04 Research of Infrared Target Images Simulation Based on Visual C＋＋ and OpenGL HUANG Qian，ZHANG Tao，LV Yin-huan，CUI Wen-nan (Shanghai Institute of Technical Physics, Chinese Academy of Sciences, shanghai 200083, China) Abstract：Infrared target’s radiation characteristic is analyzed and calculated, the simulation of space target’s infrared radiation characteristic is based on Visual C＋＋ 6.0 and OpenGL API. Based on target’s radiant intensity, the gray images of assumed target in different observation direction are created. Simulation experiment is done with the 128×128 pixels infrared image resistance arrays. The simulation of infrared target’s infrared radiation characteristic is analyzed. Some basic work is done for simulation of infrared image. Key words：Visual C＋＋，OpenGL，infrared image，infrared radiation characteristic，simulation 引言 由于红外辐射的一些优越特性，使得物体的红外 景象被越来越多地使用，例如在军事、航天、民用等 领域，红外景象已经被广泛应用。相应的，目前对红 外景象仿真的需求量也越来越大。红外景象仿真的一 般方法是，从红外物理和传热分析等方面入手计算出 物体的温度场分布和观察方向上的辐射通量，再利用 计算机图像技术，模拟出物体的红外景象。本文在传 统红外景象计算机模拟的基础上，利用 Visual C＋＋ 下 OpenGL 对空间目标的红外景象进行仿真，更进一 步直接使用了上海技术物理研究所开发的电阻阵列 红外景象转换器进行了仿真实验。 1 Visual C＋＋下 OpenGL 图形仿真 SGI 公司开发，支持阴影、纹理映射、光照、动画等， 是图形硬件的一种软件接口。该接口包括了 250 个左 右的不同函数[3]，可以利用这些函数在 PC 上创建高 品质、交互式的三维应用程序。OpenGL 独立于窗口 系统和操作系统，其开发的程序可以方便的在各平台 间移植。 在 Windows 环境下，OpenGL 支持 Visual C＋＋、 Visual Basic、Boland C＋＋、Delphi 等环境，而在 Visual Studio 中与 OpenGL 有着紧密接口、功能强大并且代 码效率较高的 Visual C＋＋又成为绘制 OpenGL 图形 的首选。基于 Visual C＋＋中的 MFC 类库可方便地进 行 OpenGL 图形绘制，生成红外景象。 2 目标红外辐射特性分析计算 2.1 红外辐射影响因素分析 OpenGL（Open Graphic Library 开放图形库）由 影响目标温度分布的因素很多，以空间目标为 收稿日期：2009-12-03. 作者简介：黄迁（1983-），男，广西柳州人，博士研究生。主要研究方向为物理电子学。 101 

第 32 卷 第 2 期 红 外 技 术 Vol.32 No.2 2010 年 2 月 Infrared Technology Feb. 2010 外辐射功率；εS 为面元的热辐射率；σ为斯蒂芬-波尔 兹曼常数；TS 为面元的绝对温度；εeff 为面元与内部 热交换的当量发射率；TI 表示目标内部的绝对温度； CS 为面元表面材料的比热；mS 为面元的质量；δS 为 面元表面材料的厚度；ρS 为面元表面材料的比重；τ 为时间，单位为秒。 根据热平衡方程时，即可计算出空间目标各个面 元实时的温度。根据普朗克公式和空间目标表面的辐 射率即可得到目标表面自身的红外辐射特性。再将目 标表面的反射系数乘以外界在 7～9 μm 波段对目标的 红外辐射功率，得到目标表面反射的红外辐射功率。 将目标表面自身红外辐射功率与目标反射外界 的红外辐射功率两部分叠加，即可得到目标表面的红 外辐射特性。 3 红外目标景象仿真技术 3.1 仿真系统硬件构架 图 1 所示的是整个仿真系统硬件构架，数据主机 通过以太网，向工作主机发送目标实时的运动特征数 据。工作主机接收运动特征数据后，实时计算目标的 红外辐射特性，生成目标的红外图像，并通过以太网 将目标的图像数据发送到电阻阵列红外景象转换器 系统。电阻阵列根据收到的图像数据显示红外景象。 本文主要的工作是在工作主机上进行，完成红外目标 仿真系统的软件工作。 图 1 仿真系统的硬件构架 Fig.1 Hardware structure of simulation system 3.2 软件实现 图 2 为程序总体框图。 例，影响空间目标红外辐射特性的因素包括太阳辐 射、地球辐射、地球反照太阳辐射等，空间目标自身 的表面结构参数和温控方式也是影响因素之一。由红 外物理可知，空间中，目标与空间背景的热交换以辐 射为主。空间目标吸收各种外部辐射，自身也同时向 外辐射能量。针对空间目标的长波红外探测，并根据 探测器需要，本文模拟的是空间目标在 7～9 μm 波段 内的红外辐射特性。在 7～9 μm 波段内，空间目标表 面的最终辐射功率分为两部分，一部分是空间目标自 身在 7～9 μm 波段上的辐射，另一部分是空间目标表 面反射其它辐射体在 7～9 μm 波段的辐射。其中反射 的辐射功率主要来自地球。 1）太阳辐射 空间目标受到的太阳辐射大小与空间目标表面 与太阳矢量的夹角大小有关。目标表面法向量与太阳 矢量的夹角越小，说明太阳越接近对目标表面进行直 射，目标表面接收到的功率自然越大。在热计算时， 太阳常数取 1353 W/m2。 当空间目标运行到地球的阴影区域时，目标接收 不到太阳的直接辐射。 确定轨道、确定姿态的空间目标，其在空间运行 时本体坐标与太阳矢量的夹角以及进出地球阴影区 的时刻等数据，都可以利用 STK 软件给出。STK 全 称是 Satellite Tool Kit（卫星仿真工具包），由美国 AGI 公司开发，是航天工业中的商品化的分析软件[6]。 2）地球-大气系统的辐射 地球-大气系统在吸收太阳辐射后，转化为自身能 量，然后又以长波热辐射方式辐射到太空，这部分能 量也被空间目标接收到。在工程热计算时，将地球— 大气系统当作 250 K 绝对黑体。 3）地球-大气系统对太阳辐射的反照 地球-大气系统还会对太阳辐射进行反照。在进行 热计算时，假定地球-大气系统的反射遵循朗伯余弦定 理[1]分布，并取平均反射率 a＝0.35。 2.2 空间目标红外辐射特性的求解 在定量的计算出影响空间目标红外辐射的各个 因素后，利用文献[4]中的方法，得到目标的热平衡方 程式： S R α S S sun cos θ α S + P S earthref + P α e earth S T ( 4 ε σ S eff S − 4 T I ) + c δ ρ S S S S S ⋅ + S T 4 = εσ S S S T d S d τ (1) 式中：SS 为面元的面积；αS 为面元对太阳辐射的吸收 率；Rsun 为太阳常数；θS 为面元与太阳光的夹角；Pearthref 为面元接收到地球反射太阳的辐射功率；αe 为面元对 地球红外辐射的吸收率；Pearth 为面元接收到的地球红 102 图 2 软件程序总体框图 Fig.2 Software framework 

第 32 卷 第 2 期 Vol.32 No.2 2010 年 2 月 黄 迁等：基于 Visual C＋＋和 OpenGL 的红外目标景象仿真研究 Feb. 2010 3.2.1 数据接收和发送 利用 TCP 协议从数据主机接收目标的运动特征 数据。采用 TCP 协议，有利于保证可靠地接收到目标 的动力学数据及数据的完整性，便于程序对目标红外 辐射特性进行计算。具体编程时，利用集成在 MFC 类库中的 CAsyncSocket 类（异步非阻塞套接字类） 完成数据接收功能。 工作主机对电阻阵列系统发送图像数据时，将生 成的红外图像数据分成多个 UDP 数据包，发送到电 阻阵列系统板上。采用 UDP 通信，不需要建立连接， 没有数据确认和重传机制，工作主机可以直接向一个 IP 地址发送数据，保证了图像显示的实时性[5]。 3.2.2 目标红外辐射特性计算 程序数据输入包括两部分：第一部分，数据主机 通过以太网给工作主机发送的动力学数据。这部分数 据主要是一些关于目标环境和位置、姿态等实时数 据。这部分数据由数据主机实时输出。第二部分数据 是关于目标的先验数据。这部分数据包括目标的外形 参数、表面吸收率、反射率、质量等与热计算相关的 物理参数。这些参数是已知或预先设定的，可以在程 序中直接输入，不需要外部的数据主机输入。 利用 2.2 节介绍的方法，计算各个面元的热平衡 方程式。计算中，需要用到积分运算，在 VC＋＋中， 可以根据实际模拟精度需要，设定积分步长。 求解出热平衡方程式中的各个参数后，可将方程 式变形为： A B T − ⋅ C 4 S d ⋅ τ = d T (2) 式中：A、B、C 均为常数，由热平衡方程式(1)中的各 个系数求出。根据目标面元的初始温度，即可求出在 小时间间隔 dτ内，面元的变化温度 dT。所以后一时 刻的面元温度 TNEW 与前一时刻温度 T 的关系： T NEW = + T T T d = + 4 A B T − ⋅ C ⋅ d τ (3) TNEW 就是面元的实时温度。根据 2.2 节的介绍， 得到面元实时温度后，即可计算出目标实时的红外辐 射特性。 数据主机发送的运动特征数据：主要是一些关于 目标实时的环境数据，包括目标的位置、姿态、外部 影响红外辐射特性的实时因素等。目标各个面元的相 关参数：包括外形参数、初始温度、吸收率、反射率、 比辐射率、质量等热计算相关参数。 3.2.3 OpenGL 模拟红外景象 基于 VC＋＋下 MFC 类库，建立红外景象的显示窗 口，便于在工作主机上监视程序生成的实时红外景象。 图 3 是 OpenGL 中场景的坐标表示，计算机屏幕 为坐标轴的 xy 平面，z 轴由计算机屏幕指向观察者。 由上坐标系可知，OpenGL 场景中的景物要能在屏幕 上显示出来，其坐标中的 z 值必须为负值[2]。 图 3 OpenGL 场景的坐标 Fig.3 Coordinate of OpenGL scene 1）OpenGL 场景设置 上海技术物理所开发的电阻阵列分辨率为 128× 128，相应地在显示程序中将 OpenGL 场景的大小设 置为 128×128。利用视见区（viewport）来限制 OpenGL 场景大小： glViewport(0,0,width,height)； width，height 分别为 OpenGL 场景的宽度和高度 值，此处都设为 128。 除了设置好红外景象的分辨率外，还需设置红外 景象的视场大小： gluPerspective(fovy,aspect,zNear,zFar); fovy 是竖直方向上的视场角大小，aspect 是水平 方向视场角与竖直方向视场角大小之比，zNear 是场 景中景物最近距离，zFar 是场景中景物最远距离。 2）红外景象模拟 红外景象是灰度图像，在绘制 OpenGL 物体时， 物体表面颜色的 RGB 值都赋为同一个值，物体表面 即为灰色。在 OpenGL 中，物体灰度为 0 至 1 之间一 个值，0 为全黑、1 为全白。可根据实际绘制需要对 其进行量化，例如本文实验中，电阻阵列系统使用八 位的 DA 控制电阻阵列，因此，程序中将 OpenGL 中 的颜色单位 0 至 1 量化为 0～255 之间的整数。因此， 程序中红外景象的灰度值量化为 0～255，0 表示全暗、 255 表示最亮。 通过计算好的目标各个面元在观察方向上的辐 射强度 J，对各个面元表面灰度进行赋值，即可得到 模拟的红外景象。 图 4 就是工作机利用 OpenGL 模拟出来的假定目 标的红外景象。由图可见在各个时刻，由于目标的各 个面元由于在距离、相对观察者的姿态、实时温度等 的不同，其表面红外辐射特性是一直变化的，相应的 图像灰度也是变化的。 OpenGL 使用双缓存技术，程序中，可以方便的 将图像缓存中的数据读到内存中。在将内存中的图像 103 

第 32 卷 第 2 期 红 外 技 术 Vol.32 No.2 2010 年 2 月 Infrared Technology Feb. 2010 数据打包为 UDP 数据包，发送给电阻阵列系统。 5 结语 图 4 OpenGL 模拟的红外目标 Fig.4 Infrared target simulated in OpenGL scene 4 仿真结果 电阻阵列红外景象转化系统接收红外景象数据 的 UDP 包后，将红外景象在电阻阵列上进行显示。 电阻阵列发射的光谱范围是 2.5～14 μm，利用美 国 FLIR 公司热像仪在 8～12 μm 波段拍摄电阻阵列所 显示的红外图像如 5 所示。 本文采用基于 Visual C＋＋环境下利用 OpenGL 库，对空间目标的红外辐射特性进行图形仿真的方法。 根据传热学规律自建模型，从原理上给出系统实现， 模型复杂[7]。Visual C＋＋代码的可修改性与移植性较 强，程序扩展性好，用文中热计算的方法，可以方便 的改变外界环境变量、目标的各类参数以适应不同的 模拟需要。得到的图像，可以作为系统测试图像源。 参考文献： [1] 张幼文. 红外光学工程[M]. 上海: 上海科学技术出版社 1982. [2] Edward Angel. OpenGL 程序设计指南（第二版）[M]. 北京: 清华大 学出版社 2005. [3] Dave Shreiner. OpenGL 编程指南（第五版）[M]. 北京: 机械工业出版 社 2006. [4] 向诗红. 空间低温目标红外辐射特性研究[D]. 中科院上海技术物理 研究所, 2007. [5] 孙鑫, 余安萍. VC＋＋深入详解[M]. 北京: 电子工业出版社 2006. [6] 杨颖, 王琦. STK 在计算机仿真中的应用[M]. 北京: 国防工业出版社 2005. [7] 马丙辰, 谌海新. 红外目标仿真的两种热源模型比较与分析[J]. 红外 技术, 2004, 26(6): 79-82. 图 5 电阻阵列红外景象转换器显示的红外目标 Fig.5 Infrared target showed by infrared image resistance arrays 104