基于GPU的虚拟战场红外仿真技术研究

实时红外视景仿真已成为红外成像武器系统设计与评估的重要方法,在军事和国民经济中有着广泛的应用前景。红外仿真的关键环节在于红外视景图像的生成,提出了一种基于GPU实现红外辐射计算模型的方法,将辐射传输模型中温度、辐射特性等数据的计算移植到GPU中,充分利用了GPU的可编程特性以及强大的并行运算能力,高效生成了精度较高的红外场景图像。     

基于红外物理学和流体动力学的海面船只红外尾迹真实感绘制

随着红外热像仪成像分辨率的提高,已能观察越来越多新的目标红外成像特征.为探究航拍海面船只红外尾迹的形成原因和具体成像特征,基于流体动力学和红外物理学原理,提出一种海面船只红外尾迹建模与绘制新算法.首先使用体素化将船体转化为固体粒子,以实现固-液耦合效果模拟;然后提出一种海水垂直面的温度变化模型,以确定液体粒子的初始温度值分布;为模拟海上行驶船只的运动及其场景的红外成像特性变化,提出一种新的结合光滑粒子流体动力学(SPH)模型及海水热传导机制的模型;最后通过红外成像模型,成功绘制出海面船只的红外尾迹场景特征图像.文中所提出的海水热传导机制SPH模型除了能模拟船只尾迹的几何形状变化外,还能求得尾迹区域海水的红外物理特征变化,并从实验模拟的角度证明了红外尾迹的成像原因.该算法在海面目标的探测与救援、军事上的红外隐身与对抗等领域都有重要的应用价值.     

目标三维场景建模与实时红外仿真技术研究

针对景象匹配系统对红外图像实时性的要求越来越高的特点,提出了基于目标三维场景的实时红外仿真方法。首先,设计了红外场景仿真的总体方案;其次,对材质红外图像计算、红外图像数据库建立、基于全球三维场景的实时红外场景建模三个关键技术做了初步实现;最后,结合红外场景仿真方案完成了系统。实验结果表明：该方法生成的红外图像与实拍红外图像的变化规律基本一致,从而为实时制备红外基准图提供了一种有效途径。     

基于Unity3D的改进实时红外仿真系统

基于红外物理基础理论和自然场景仿真理论.通过改进已有算法以满足红外仿真系统中的实时性和准确性2个基本要求.提出基于Unity3D的改进实时红外仿真系统.首先探讨并修正了部分零视距离辐射计算模型和影响温度场的主要计算模型,在计算中考虑太阳赤纬角,改进经验公式,提高了计算的准确性;然后在讨论了热源放置和热传递计算问题之后.在红外仿真中考虑物体不同材质特性对红外效果的影响.使得绘制结果更为逼真;最后借助GPU对不同场景对象多角度下的红外辐射灰度进行并行计算.提升计算速度.该系统基于Unity3D游戏引擎.可以构建包含多种目标对象的红外场景,如植被、建筑以及车辆;重建的三维场景仿真效果图与实地拍摄的真实红外场景图像高度相似.仿真实验渲染速度达到30帧/s,基本满足实时性计算要求.     

基于CUDA的大规模群体行为实时仿真并行实现及优化

群体仿真中个体从环境中查找相关对象时会导致较高的时间复杂度。要使大规模群体能够实时仿真,必须降低模型运算的时间复杂度或者提高计算平台的能力。通过对Biods模型为典型案例进行研究,提出一种基于统一计算架构(CUDA)的大规模群体行为实时仿真并行实现及优化的方法。实现中将个体与GPU逻辑线程一一对应,通过将仿真环境离散化来提高相关个体查找的效率,通过并行化基数排序法将个体信息组织成具有空间局部性的数组,提高图形处理器(GPU)内存带宽的利用率。通过实验验证了该方法将仿真个体的数量提升到CPU方法的约7.3倍。     

大幅宽SAR图像嵌入式舰船实时检测系统设计

针对星载或机载高分辨率合成孔径雷达（synthetic aperture radar,SAR）实时成像后的大幅宽SAR图像舰船实时检测的应用需求，传统的基于FPGA+DSP的嵌入式系统很难同时实现SAR成像处理和基于人工智能技术的大幅宽SAR图像舰船实时检测，为此设计了一种基于3U VPX FPGA+GPU架构的大幅宽SAR图像嵌入式舰船实时检测系统；提出了一种基于YOLOv5s的舰船检测模型，采用基于L2-范数稀疏性惩罚的缩放因子控制法进行轻量化，轻量化舰船检测模型的参数量减小了47.39%，计算量减少了18.67%，平均检测精度为0.968；将轻量化舰船检测模型应用于大幅宽SAR图像嵌入式舰船实时检测系统，并针对典型的10 km×10 km的大幅宽图像应用场景，设计开发基于多线程技术和基于GPU的众核并行计算技术的大幅宽SAR图像嵌入式实时检测系统软件；通过公开的SAR数据集进行功能验证和性能评估，该系统能够满足不同分辨率的大幅宽SAR图像舰船实时检测需求。     

GPU在实时阴影绘制中的应用

实时阴影在增强三维场景真实感方面起着非常重要的作用。阴影体算法是实时阴影绘制中效果非常理想的一种方法。但是随着场景复杂度的增加,该算法计算量比较大,将导致绘制效率的降低。另一方面,随着可编程GPU技术的发展,GPU的渲染速度远远大于CPU,为提高三维场景的渲染效率提供了更大的空间。在此基础上,介绍了一种在GPU上生成阴影体的方法,加速实时阴影绘制。利用图形硬件的图形处理单元（GPU）的运算能力和可编程性,将生成阴影体的大量计算从CPU转移到GPU,从而有效地提高实时阴影的绘制效率。     

利用可编程GPU实现大规模地形场景的高性能漫游*

对已有算法进行了综述,并针对数据动态调度、自适应网格模型的生成以及数据的组织与数据裁剪等方面进行了研究并提出改进方法,设计了一种基于GPU编程实现的大规模地形场景的实时绘制与漫游算法。利用GPU端完成地形网格更新、地形块的自动选取、高度图和纹理图采样等大部分计算工作,大大减轻了CPU端的计算负载。实验表明,该算法实现简单,内存开销较少,有效提高了地形绘制的效率,适于大规模地形场景的实时高效漫游。     

大规模雪场景的实时绘制

大规模雪场景的真实感实时绘制在虚拟现实、雪灾的预防和救援、军事仿真及游戏设计等领域有着广泛的应用价值,但现有方法难以同时生成大规模动态雪场景的积雪及飘雪效果.为此提出并实现了一种交互式大规模雪场景建模与实时绘制的新方法.为了精细地模拟场景的积雪效果,提出一种基于视点的自适应降雪遮挡图模型,能在实时更新地物的遮挡关系的同时大大减少大规模雪场景中积雪的计算量,并提高了计算精度;对于场景的飘雪,采用一种基于视点的雪粒子分层建模技术来减少雪粒子数量,将视点变换及降雪粒子系统移至GPU中进行加速计算;采用动态多旋转纹理来模拟飘落雪花的形状以增加其真实感;采用几何与纹理混合绘制的方式来减少大场景的复杂度.最终成功地实现了野外和城市两个大规模雪场景的实时漫游,在场景中可看到压雪累累的树枝雪挂景象及轿车上厚厚积雪等冬天美景.     

一种实时红外场景仿真方法

文章实现了一种实时红外场景仿真技术。首先,完成了红外场景仿真系统的设计与现实工作;其次,生成目标区域的红外仿真图像,仿真过程中使用了VEGA标准材质库,考虑了大气效应对红外辐射的衰减作用;最后,利用三维建模技术,建立相应的三维红外场景,并提供实时漫游功能。实验结果表明,该方法生成的红外仿真图像与实拍图像的变化规律基本一致,为生成目标区域的红外图像数据库创造了条件。     

基于生物刺激神经网络的多机器人编队方法

多机器人编队控制是多机器人协作领域的重要研究内容之一,如何实现多机器人朝同一目标移动的同时保持队形是多机器人编队的一个热点和难点问题。针对这一问题,提出一种新的基于生物刺激神经网络的多机器人动态编队方法,采用基于leader-referenced编队模型实时计算各机器人的虚拟目标位置,利用生物刺激神经网络进行机器人导航。最后进行仿真实验,实验结果表明该方法在实现多机器人实时避障并保持队形的同时,朝同一目标移动,而且可以很快实现队形变换,具有较好的实时性和灵活性。     

基于形态学Top-hat滤波的红外小目标检测

为了满足红外小目标检测任务实时性高的要求,提出了基于FPGA硬件平台设计小目标检测系统的方法;采用模块化的设计思想并充分发挥FPGA并行运算的能力,利用Altera公司DSP Builder工具,按照Top-hat形态学滤波、阈值分割和质心提取的流程实现硬件算法模块;硬件仿真结果表明,该设计可以快速、可靠地检测出动态红外小目标,并具有一定的抗干扰能力,为高速小目标检测系统的研发提供了一种可行的方案。     

基于红外图像的导弹实时跟踪算法研究

研究导弹跟踪问题,由于运动目标跟踪的实时性差,当导弹为防御攻击突变运动路径,实施跃升和俯冲动作时,地面探测仪不能及时跟上导弹路径的变化,造成导弹跟踪延迟的问题。针对这一难题,提出了一种点模型的跟踪方法。在跟踪导弹路径时,提取与导弹运动线性相关的特征点,实时构建特征点的点模型,通过确定点模型的运动状况来实现对导弹的跟踪,避免了对红外图像中所有点的计算,从而减少了计算量,使得地面探测仪能够及时跟上导弹路径的变化。实验证明,点模型这种方法能够解决导弹跟踪延迟的问题,实现导弹的实时跟踪,取得了满意的结果。     

基于改进双滑窗的红外小目标检测算法

分析了红外小目标图像的时域特性以及小目标、噪声、背景的不同特点,提出了一种时空结合的红外小目标检测算法。首先根据背景图像变化较慢的特点,运用相邻帧相减以减少背景和噪声的干扰,提高了目标信噪比(SNR);接着,使用中心点判别方法检测出可能的小目标点;然后,利用双滑窗方法去除孤立的噪声;最后,运用区域相似度判别函数,剔除边缘纹理的干扰,检测出小目标。仿真实验表明,该算法不仅具有良好的实时性,同时还具有较高的检测概率和较低的平均虚警数。     

BAT弹药对声目标跟踪的仿真研究

BAT子弹药声探测系统是一种运动声阵列,在随弹体做六自由度运动的过程中实时对目标定向.针对运动声阵列仅有角度信息的条件下对目标跟踪问题,用计算机仿真的方法研究了方向误差、高度误差对目标跟踪的影响.首先建立了运动声阵列定向模型,然后在仅有目标角度信息的条件下提出了运动声阵列对目标的跟踪模型,最后用计算机仿真的方法对跟踪模型进行了仿真研究.结果表明:未知弹体抛洒高度时运动声阵列对目标的跟踪需要很高的测向精度,在已知弹体抛洒高度的条件下,则声阵列定向精度能够满足跟踪要求,且跟踪算法简单、收敛软快.     

femap在IR仿真中的应用

该文主要讨论了实时红外目标仿真的原理和实现方法。该文首先对目标热平衡过程进行原理分析，引进一种专业的工程有限元热分析软件femap，通过有限元建模和精度高的热分析功能，实现目标的3维建模及辐射模拟计算，并通过云图显示处理结果生成实时IR仿真场景。对femap的功能进行了比较深入的研究，并在原理上、实验上给出了验证结果，显示femap应用到IR目标仿真能够充分应用其建模过程工作量小，计算速度快，精度高的特点。     

红外成像导引头的小机动目标状态估计器设计

研究机动目标优化控制问题,针对红外导引头的情况,设计了目标状态估计器。在提高制导精度的前提下,采用适于小机动目标的singer统计模型对目标机动建模。由于目标状态模型是线性的,测量模型是非线性的情况,使用修正增益推广Kalman滤波,减少了非线性误差。对测量噪声方差进行在线估计,实现了自适应滤波,提高了估计精度。在目标小机动情况下,对所设计的估计器进行仿真,结果表明,误差收敛速度快,且精度较高。证明目标状态估计器适于只测视线角速度的导弹拦截小机动目标。     

基于高斯背景模型的红外人体运动目标检测技术

针对红外监控中人体运动目标的空洞和拖尾问题,提出了一种基于高斯模型的运动目标检测方法。首先,介绍了红外图像的预处理;其次通过与其他经典的人体运动目标检测算法比较与综合,引入高斯模型,建立背景图像的自适应模型。该种模型主要使用了拟合修正的方法处理了红外监控背景图像中的差分信息,过滤图像中的噪声等相关外部环境干扰因素,从而更新红外图像中的背景信息,提高了红外监控系统图像中人体运动目标的检测清晰度,并进一步提高了红外监控图像的精度。同时,还对该方法进行了必要的仿真实验。仿真结果表明,提出的方法可以准确地检测红外监控图像中的人体运动目标,较好地避免了人体运动速度过快或过慢所产生的拖尾或空洞现象。     

红外成像制导半实物仿真目标图像生成技术

为实现半实物仿真中红外成像目标的模拟,依托红外动态景象模拟器,进行了成像目标的建模与仿真研究.基于当前主流战机及其红外干扰弹的调研数据,,建立了典型目标的三维模型和辐射模型,根据目标飞行数据求解干扰运动轨迹,生成图像序列以驱动成像系统完成成像目标的仿真.经工程应用证明,该仿真模型逼真可靠,提高了红外成像制导控制系统研究的验证水平.