[发明专利]一种基于GPU硬件光追管线的红外场景实时光追绘制方法

说明书

本发明公开了一种基于GPU硬件光追管线的红外场景实时光追绘制方法，属于虚拟场景的红外仿真领域。本发明以路径追踪原理为基础，以Unity为平台，实现红外场景真实感实时绘制。基于红外物理学原理，首先实现了基于路径追踪的红外场景真实感非实时绘制；在此基础上应用了GPU硬件光追管线技术提升红外路径追踪的速度，并使用重要性采样、时空滤波降噪算法保证红外场景的图像质量，从而实现了红外场景的实时绘制，其红外绘制结果的真实感细节有很大的提高，与实拍红外场景图像相比其相似度较高。

技术领域

本发明涉及虚拟场景的红外仿真领域，尤其涉及一种基于GPU硬件光追管线的红外场景实时光追绘制方法。

背景技术

随着红外探测成像技术的不断发展，红外探测成像向着分辨率精度越来越高、红外探测距离越来越远的方向逐步进步。当前先进的红外探测仪器在探测距离上已经可以达到10万米的程度，已经和机载雷达的探测距离相当。同时红外成像的分辨率也已经从240P逐渐发展进步到720P，甚至1080P。当前的红外成像相机的成像结果已经发生了质变，高清晰的红外成像结果已经非常的普遍和平常。

红外成像传感器的应用越来越广泛，例如在灾后救援，各类工厂系统的故障排除，赛车性能分析，建筑的热能分析，漏水分析以及在商场地铁都可以看到的发热人群侦测等各类温度强相关场景。在各类红外成像、红外制导技术，或者红外隐身技术的研发中，由于场地、经费、各种不可抗力因素的影响下，无法做到对某特定场景目标实现全天候、全时段的红外辐射特性实测分析。此时采用数值模拟计算方法不仅成本较低，同时可以生成各类不同环境、天气的红外辐射特性的状况，易于生成各类极端情况的红外辐射特性数据，因此可以对红外辐射特性抑制技术和红外探测制导技术进行广域测试分析。但是，场景红外辐射特性分析技术是一项非常复杂的工程，仿真的各类输入复杂，仅仅是针对不同探测立体角就可以衍生出数量极其庞大的数据集合，同时为了尽量实现接近真实的红外辐射特性探测结果，需要对各类复杂的物理耦合过程进行建模、计算，无法实现红外场景实时绘制。

因此，对红外仿真领域来说，实时绘制出真实感的红外场景目标图像有十分重要的意义。

发明内容

为了解决现有技术的问题，本发明提出了一种基于GPU硬件光追管线的红外场景实时光追绘制方法，基于红外物理学原理，首先实现了基于路径追踪的红外场景真实感非实时绘制；在此基础上利用GPU硬件光追管线、重要性采样、时空滤波降噪加速计算速度，从而实现红外场景的实时绘制。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于GPU硬件光追管线的红外场景实时光追绘制方法，包括如下步骤：

1)测定目标场景材质的红外数据，所述的红外数据包括目标场景中各材质的红外发射率、红外反射率和红外吸收率；以及，获取目标场景的温度场信息、太阳辐射、大气背景辐射和大气传输效应；

2)将目标场景材质的红外数据和目标场景的温度场信息与三维几何模型相结合，搭建虚拟场景模型；

3)根据目标场景材质的红外数据、以及目标场景的温度场信息、太阳辐射、大气背景辐射、大气传输效应，采用蒙特卡洛路径追踪算法计算虚拟场景的红外辐射数据；在计算红外辐射数据时，初始红外辐射由太阳辐射、大气背景辐射和场景物体发出的红外辐射共同影响，通过GPU硬件光追管线、重要性采样加速红外辐射计算过程；所述的场景物体发出的红外辐射由温度场信息、红外发射率、红外反射率和红外吸收率共同决定。

4)对蒙特卡洛路径追踪算法计算得到的红外辐射数据进行时空滤波降噪，绘制最终红外场景仿真结果。

进一步的，所述步骤2)中，搭建虚拟场景模型包括如下步骤：

2.1)生成典型目标材质分类贴图