光电成像与视覚感知虚拟仿真实验可以搭建真实直双的实验环境，红外目 标成像彷真、岌杂战场环境飞行器及飞行模拟、光电对抗中的目标捕获、跟踪 及陶准（ATP）等过程，在虚拟实验环境下感知战场态势、进行目标狼瞄，以 取代真实战场环境下鑿杂、庞大、高昂成本的实验系统。学生可以从成像过程、 成像结果、图像处理与分析、场景态势感却与识别、目标精确定位神理现象 和本质，身临其境的感知和了解光电成像、视觉信息处理及光电对抗过程。

本项目包括光电成像、祝景仿真、光电对抗技术应用虚拟仿真等三层次、 递进式虚拟虏真实验模块，共计6学时。

通过实验，强化学生对红外物理、激光原理与技术、光电图像处理、信息 光学等专业课程的学习兴趣，提升利用谖程知识解决实际问题的能力。具体包 括：

（1） 感知光电成象（红外、可见光等）物理现象及本质差异，不同材质、 不同环境温度、不同光照条件下红外、可见光目标成像模拟，对成像结 果进行定性认知及定量分析（信噪比、对比度、物理尺寸、分辨率等）；

（2） 复杂战场环境下飞行目标（来袭导弹、各型战机）的成像及飞行态势 进行感知，不同场景（掠地、海空、深空等）、不同视点、不同沉浸嘆式、 不同飞行速度的过程进行仿真和动态感知，获項视频数据，对数据进行 定量分析，并用亍后续的目标检测、识别和跟瞌仿真澜试；

（3） 复杂环境下的光电成像目标检测、识别与跟踪仿真与集成验证实验。 体验真实环境下的光电对抗过程；

（4） 本实验项目除了具备完整的虚拟环境和功能外，还具备了可扩.展性、 开放性仿真功能。学生在实验过程中，可以自行设计和添加相关功能模 块，进行二次开发。旨在训练学生的系统设计能力、软件和程序开发能 力及一定的科学研究能力。

实验项目涵盖三层次、递进式实验环节和模块，具体包括:

•红外目标成優仿真与处理集成验证（2学时）；

•低成本光电成像飞行目标视景彷真（2学时）；

•光电成像目标检測与跟踪虚拟詹真（2学时）。

（I）模块一：红外目标成像仿其与图像处理集成验证

实验原理：红外热成懷系统是利拝目标与背景之间的温度差来成懺。涉及 敏感材料及探測器件（传感器）、光学元件及光路、信号放大及处理、成像显 示等。本实验者重仿真不同材质物体红外辂射的探测成像结果的感知及后端的 红外图像处理技术。

通过设定红外波段、大气参数、环境温度、目标林质和尺寸、探测距高等 参数，利用计算机仿真技术合成多类虚拟红外场景及目标图像。对仿真图糠进 行质量评估，如对比度、信噪比、信杂比、分辨率、场景复杂度等进行定量分 析和成像质量评价。

通过数字图像处理技术，对红外图像的对比度増强、目标细节增强（图像 滤波）、去噪芦、频谱分析（簿立叶变换〉进行仿真。同时，通过图繼特征提 取与分析，对场景中的目标进行识别利检测。

红外目标虚拟仿真成像系统主界画如图【所示。

（a）模拟TIPS仿真主界面 （b）红外图像分析及集成股证

图1红外成像及分析集成仿食系统

                                          本实验环节对应知识点：红外物坦、大气光学及光电图像处理等。

（2）模块二：低成本光电成像飞行目标视景仿真

实验原理：视景仿真（Visual Simulation, VS）是一种基于可计算信息的 沉浸式交互环境。具体地说，就是釆用以计算机技术为核心的现代高技术，生 成逼真的视、听、触觉一体化的特定范围的虚拟环境，用户借助必要的设备以 自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互作用、相互影响，从而产生“沉浸" 于等同真实环境的感受和体验。计算机労真又称全数字仿真，是根据相似原理, 利用计算机来逼真模拟研究系统中的研究对象，对其进行数学描述，建模编程, 并在计算机中运行实现。作为计算机仿真的组成部分，视景仿真采用计算机图 形图像技术，根据仿真目的，构造仿真对象的三维模型并再现真实的环境，达 到逼真的仿真效果。

本实验模块主要对象是来袭导弹（4类）和各型战机（5大类）模型，在 各种飞行环境下、不同观测视点、不同光照条件、不同飞行速度等的目标成像 仿真、飞行姿态仿真及感知实验。实验架构如图2所示。通过全3D辭与计 算机视景仿真技术，完成认知场景渲染、目标成像过程及飞行器飞行状态和姿 态变化等（如图3、4、5所示），同时可为后续实验模块中的光电成像目标识 别、跟踪提供接近真实环境的实验数据，节约实验成本。

该环节主要涉及光电成像原理、3D建模、计算机图形图像处理等知识点。

图2飞行目标视景仿真系统架构

图3导弹模型及不同视角下的观測

（3）模块三：光电成像目标检测与跟踪虚拟仿真

实密原理：该模块综合利用光电图像处理知识，解决成像目标检測、目标 识别及定位跟踪叵题，实验原理如图6所示。实验内容包括：1）图像及视.频 数据预处理，如直方图处理、去噪声、增强与复原、图像变换等；2）图像分 割即目标检测，如边缘检测、特征提取与分析、数学形态学、目标分割与提取 等；3）运动目标的自动捕获与定位、运动目标的自动跟踪，如形心跟踪、相 关跟踪等；4）实时跟踪测试及评价，如检测率、稳定性和跟踪綃度等。

该模块针对各种复杂背景下（.海空、地面背景、天空等）军事目标进行探 測、识别与高精度跟踪仿真实验，具甫敎据采集魔度大、实验场景复杂、保密 性强等特色，通过计算机视景仿真技术，进行场景再现，可以极大地减少实验 风险和难度。仿真软件系统如图7所示，图8为ATP系统中扩展目标的相关跟 踪示意图及跟踪结果。

该过程主要渉及光学系统设计、光电图像处理、数字信号处理、C/C++程 序设计等知识点

红外热像仪、示波器、专业图像处理软件、SEED-DEC643 TMS320DM643实 验箱、工业CCD相机、图形工作站、LabVIEW等。

(6) 环境参数：

•光源：a(0-90), b(0-90)；

•光强:0-100%;

•雰效浓度：0T00%。

(7) 观测模式：

•俯视；

•侧視；

•仰视。

（8）镜头参数：扰动闭合（开或闭）

•频率：O-lOOHz；

•振0-100% （相对强度）a

教学方法的使用目的：

教学方法的釆用主要目的是为了规范学生实验流程，培养独立完成实验、 自主设计实裁、协同完成实验等能力，同时注重贴近实战，培养学生的工程实 践能力等。

实施过程：

1、 统一指导，规范引导，独立完成实验教学方法

如实验苗，教师讲解实验基本原理、相关知识点和实验操作及注意事项等， 每个学生通过独立操作，完成相关实验内容。

2、 自主设计、协同完成实验教学方法

三个实验环节，具有一定的逻辑关联，也具有相对■的独立性。多人一组实 骏，自主设计实验流程，又可相互配合，共同协作完成整个实验项目。例如可 三人一•组，单人分别独立完成单个实验，后形成相互数据共享，协同完成全部 实验环节。

3、 聚徒教学、贴近实战教学方法

对基础较好、动手能力强的学生，除基本的实验要求外，实验教师可进行 一对一指导，鼓励学生对实验进行扩展，进行二次开发。如结合学生承担的科 创项目、竞赛活动，利用实验平台解决实际问題等。

实施效果：

通过教学方法的实施，极大的提升光电信息科学与工程、电子科学与技术 等专业学生的理论联系实际能力、实践动手能力和籟决实际问题的能力。

2-7实验方法与步糠要求（学生噪作步骤应不少于10步）

实验方法主要是以中心服务器为主，学生通过计算机终端远程访问，进行 远程实验。可以完成和实现认知、兴趣、挑战及二次开发等各个层次的实验要 求。

实验分为三个层次，如图9所示。既可以进行独立实验，也可以作为一个 具有递进层次、具有完整流程的综合性实验。

图9实验环节与层次

本项目的具体实验步骤如下：

1） 远程登录实验系统；

2） 获取实验指导书；

3） 选择实验模块；

4） 连接必要的硬件设备，如图形工作站、红外热像仪，工业CCD、图像 釆集卡，视频线和控制线；

5） 依据选择的模块，启动对应仿真软件，如红外成像模拟、飞行目标视 景仿真、成像目标检测与跟踪、LabVTEW等;

6） 参数设定：具体参数见2-5实验材料（或预设参数等）；

7） 依据选择虚拟仿真模块的功能菜单，进行场景及目标的静态/动态成像 模拟；

8） 对成像数据进行预处理（对比度増强、颜色校正、去噪声等）、图像分 割、特征提取等处理与分析（有开放接口，可供二次开发）；

9） 建立仿真模块的之间的数据通讯，实时共享实验数据；

10） ATP系统设计，目标跟踪算法设计与实施（.有开放接口，可供二次开 发）；

11） 对识别、跟踪处理结果进行分析，以数据表格、数捋曲线形式进行表 达；

12） 撰写实验报告及提交实验报告；

13） 注销和退出实验系统。

本实弦基于虚拟仿真实验中心股务器，以2 3中模块三为例，学生远程登 录实验系统的具体操作步骤，如图10所示。

（ 近程仔录实般中心

图10成像I ］标检测与跟踪虚拟仿真操作流程

（1） 在预设参数的条件下，对实验现象的描述，如红外目标成像的对比度、 图像信噪比、图像分辨率等。不同光照、渲染方式、观测视点、飞行速 度下目标成像清晰度；不同目标跟踪方法的跟踪稳定性、跟踪精度的定 性描述等。

（2） 实验数据的处理与定量分析，包括统计法、列表法及图示法等，原始 资料应附在本次实验主要操作者的实验报告上。

（3） 对实验中存在的问题的讨论。如实验参数设置、边界条件设置问题等， 以及解决问题的措施等。

（4） 要求通过查阅相关的文献和知识点，回答实验中设计的思考题，以及 通过实验操作过程和感知，拓展学生的知识面和视野，力图凝练和挖掘 实验中涉及的科学和技术问題。

（5） 实验结论中，要求对实验现象和实验本质进行归纳和总结，得出有价 值的普遍意义下的科学认识和结论。

（6） 撰写并提交实验报告，报告内容格式须符合电子科技大学《实验报告》 的相关要求。

本实验项目的考核方式，包括实验过程考核和实验报告评回，最终考核成 绩构成及比例为：实验过程成绩占60%,实验报告成绩占40%

（1） 专业与年级要求

本实验项目面向光电信息科学与工程、电子科学与技术等专业方向的三年 级和四年级本科生。

（2） 基本知识和能力要求

学生需要掌握光电成像原理、红外物理、光电图像处理、视觉信息处理及 感知等相关理论知识，具有一定的数学建模与计算机仿真能力。