阳和地球的热量后，具有了一定的温度，因而也会向
目标进行辐射。 其表达式为：
4
Wsky =C·C·εsky σTsky Fsky
(3)
式 中 ：Tsky 为 大 气 温 度 ；Fsky 为 目 标 表 面 对 大 气 等 效 灰 体 平 面 辐 射 角 系 数 ；εsky 为 大 气 的 等 效 发 射 率 ；C·C 为 云层影响因子；σ 为玻耳兹曼常数。 2.2.2 目标温度平衡模型
Key words: IR scene simulation; Scene matching; Object surface temperature model
0引言
精确制导武器在海湾战争以来的历次战争中都 表现出了优异的性能和高效的打击效果，是未来高技 术条件下信息化战争的主要兵器。 近年来，精确打击 已成为各国军事研究的热点，各国竞相发展和提高精 确制导武器的制导精度与改进制导方式，以适应未来 战 争 的 需 要 [1-2]。 受 保 障 条 件 的 限 制 ， 目 前 ， 景 象 匹 配
参考 图 主 要 来 源 于 可 见 光 图 像 ，而 实 时 图 来 源 于 红 外 图像，红外和可见光成像本身就是一个复杂的多变量 系统，成像的不确定性决定了很难用简单的理论解析 公式来建立红外和可见光成像灰度方程之间的关系 模型，实现图像灰度级的转换。 因此，必须利用可见光 图像研究典型目标的红外特征。
2 红外场景仿真关键技术
2.1 基于可见光图像的材质信息分类 与可见光成像原理不同，红外成像主要是基于红
外 辐 射 ， 由 热 辐 射 的 基 本 规 律 可 知 [3]： 温 度 大 于 绝 对 零度的任何物体都有发射红外电磁波的能力，物体的 红外辐射是由表面温度和发射率决定的。 发射率跟物 体的材质有关，而物体的表面温度却会受到各种复杂 因素的影响。 因此，要得到红外特征图像，首先要对可 见光图像进行材质信息的分类，分析得出典型目标的 材质信息、外形信息，从而得到材质的发射率等属性， 然后对各种材质进行分类组合，得到不同的模型进行 温度计算。
太阳辐射可以表示为：
Wsun =CCF·(Wp,b +Wp,d +Wp,ρ )
(1)
式 中 ：Wp,b 为 太 阳 直 射 ；Wp,d 为 太 阳 散 射 ；Wp,ρ 为 地 面
太 阳 反 射 辐 射 ；CCF 为 云 遮 因 子 。
环境温度即空气温度，具有逐日、逐年周期性变化
的特性。 一天的空气温度具有二阶傅里叶变化的趋势：
目标的红外特性主要表现在对外界辐射能量的 大 小 ， 由 公 式 W=σT 4 可 知 ， 其 辐 射 能 量 的 大 小 取 决 于温度，因实际的目标背景处于自然环境中，气象条 件是影响目标背景温度的关键因素，而有些参数无法 实地实时测量，应该建立影响其红外特性（温度）参数 的模型。 2.2.1 影响目标温度的气象因素
图像分类处理技术的一般过程为图像预处理、图 像信息提取、特征选择、设计与实现。 本研究的目的是 将图像中不同的材质尤其是目标分割出来，对其进行 红外场景仿真得到红外图像。 在图像分类处理中综合 考虑了图像的纹理信息，采用自动和手动相结合的方
图 3 多值图 Fig.3 Multiple蛳valued image
式，得到反映不同材质属性的多值图。 图 2 为某火电 厂的可见光原始图像，图 3 为经过预处理、材质分类 后的多值图，共有 6 类材质：大地、天空、烟囱、冷却 塔、主厂房和建筑群。
图 2 原始可见光图像 Fig.2 Original visual image
图 1 红外场景仿真流程图 Fig.1 Flow chart of IR scene simulation
物体的温度主要受自身材质，太阳辐射以及背景 辐射的影响，对于自然条件下的物体，其温度平衡模 型如图 4 所示。
体 自 身 在 单 位 时 间 内 所 释 放 的 能 量 ；Eo 为 单 位 时 间 内
离 开 控 制 体 的 能 量 ；Es 为 控 制 体 内 贮 存 能 量 的 变 化 。
公 式(4)表 明 ：热 能 和 机 械 能 进 入 控 制 体 的 速 率 与 能
temperature balance model
根据热平衡建立以下守恒方程：
Ei+Eg-Eo=Es
(4)
式 中 ：Ei 为 单 位 时 间 内 进 入 控 制 体 的 能 量 ；Eg 为 控 制
图 5 红外热像仪的探测示意图 Fig.5 Schematic representation of the general thermographic
Φv 为微元单位体积的发热功率。
对于指挥中心外壁、 远景油罐等目标， 其长度
（ 高 度 ） 和 宽 度 是 厚 度 的 10 倍 以 上 ， 可 以 按 一 维 进 行
处理。 对于无内热源的一维非稳态导热 ，公式(5)可
简化为：
2
ρc=
坠T 坠τ
=k 坠
T
2
坠x
(6)
而对于近景烟囱、冷却塔、油罐等目标，白天其
提出了一种利用可见光图像仿真红外场景的方
收 稿 日 期 ：2008-05-10 ； 修 订 日 期 ：2008-06-23 基金项目：国防“十一五”预研项目 作 者 简 介 ： 陈 珊 (1981-) ， 男 ， 浙 江 丽 水 人 ， 博 士 ， 研 究 方 向 为 计 算 机 仿 真 与 虚 拟 现 实 技 术 。 Email ：chenshan1223@ 导 师 简 介 ： 孙 继 银 (1952-) ， 男 ， 山 东 单 县 人 ， 教 授 ， 博 士 生 导 师 ， 中 国 计 算 机 学 会 高 级 会 员 ， 中 国 计 算 机 用 户 协 会 理 事 ， 研 究 方 向 为
根据目标外形、有无内热源等，可将不同材质分 类整理到不同的模型，对不同的模型用不同的温度算 法得到表面温度值。 图 3 所示的 6 类材质可以归类整 理为 5 种模型：(1) 草地；(2) 天空；(3) 主厂房， 为有 强内热源的长方体型建筑；(4) 建筑群，为有一般内热 源的长方体型建筑；(5) 烟囱和冷却塔，为有强内热源 的圆柱体型建筑。 2.2 目标表面温度模型建立
再对图像进行材质信息的分类。 一种或多种材质可以 组合成为一个模型，模型是仿真的最小单位，不同的 模型，由于外形不同、材质属性不同，其算法也不同。 结合当时当地气象信息，对不同的模型分别采用不同 的算法计算得到表面温度值，然后结合大气透射率求 出不同模型（目标）到达红外热像仪的红外辐射值，最 后通过灰度映射得到红外特征图像。
第 38 卷第 1 期 Vol.38 No.1
红外与激光工程 Infrared and Laser Engineering
2009 年 2 月 Feb. 2009
基于可见光图像的红外场景仿真
陈 珊，孙继银 （第 二 炮 兵 工 程 学 院 ，陕 西 西 安 710025）
摘 要：针对景象匹配系统对红外图像的迫切要求，提出了一种利用可见光图像仿真生成红外图 像的方法。 首先，设计了红外场景仿真的总体方案；其次，对其中的基于可见光图像的材质信息分类、 目标表面温度模型的建立及红外特征图像的生成 3 个关键技术做了初步实现；最后，结合红外场景仿 真 算 法 完 成 了 典 型 电 厂 目 标 红 外 场 景 序 列 图 的 生 成 。 实 验 结 果 表 明 ：该 方 法 生 成 的 24 h 序 列 图 像 与 实拍红外图像的变化规律基本一致，从而为可见光图像制备红外基准图提供了一种有效途径。
环形表面接收到的太阳辐射不同，温度也会不同，可
以按二维进行处理， 其导热微分方程的极坐标形式
如下：
2 2 2
2
ρc
坠T 坠τ
=k
1 r
坠T 坠r
+坠
T
2
坠r
+12r Nhomakorabea坠T
2
坠θ
(7)
对以上方程设定一定的初边值条件，便可采用数
值方法迭代求解出目标表面温度值。
2.3 红外特征图像生成
当利用红外热像仪对目标物进行拍摄时，红外热
像仪接收到的辐射包括目标自身的辐射和目标对周
围环境的反射辐射，这些辐射经过大气衰减，最后到
达 探 测 器 ，另 外 ，大 气 本 身 也 有 辐 射 ，如 图 5 所 示[6]。
图 4 典型地面目标温度平衡模型示意图 Fig.4 Schematic representation of typical ground object
关键词：红外场景仿真； 景象匹配； 目标表面温度模型 中 图 分 类 号 ：TN21 文 献 标 识 码 ：A 文 章 编 号 ：1007-2276(2009)01-0023-04
IR scene simulation based on visual image
CHEN Shan，SUN Ji蛳yin
影响目标表面温度的气象因素主要有太阳辐射、 环 境 温 度 、天 空 大 气 辐 射 等[4]。
太阳辐射是一个与时间、纬度和大气特征等相关 的函数，主要包括 3 个方面：太阳直射、太阳散射和地
第1期
陈 珊等：基于可见光图像的红外场景仿真
25
面太阳反射辐射，由于太阳与地球间距离很远，因此，
到达地面的太阳光可看作平行光。 目标表面接收到的
Tair (t)=g0 +g1 cosω(t-b1 )+g2 cos2ω(t-b2 )
(2)
式中：g0 ,g1 ,g2 ,b1 ，b2 为待定参数；t 为时间；ω 为角频
率 ，ω=2π/T，周 期 T=24 h(一 昼 夜)。
天空大气辐射也是影响目标温度的一个气象因
素，它主要是一种长波辐射。 大气在吸收了一定的太
C4ISR 系 统 与 计 算 机 仿 真 ， 虚 拟 现 实 技 术 。 Email ：manan119577@