Kızılötesi bandında sentetik sahne üretimi
Synthetic scene generation in infrared band
Yazar: MEHMET SERKAN TOKAY
Danışman: PROF. DR. SEDAT AĞAN ; DR. ZİYA GÜRKAN FİGEN
Kırıkkale Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2014
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Kızılötesi = Infrared

Özet:
Kızılötesi (KÖ) görüntüleme sistemlerinin hedef tespit, tanıma ve 

izleme gibi uygulamalar için giderek yaygınlaşan kullanım alanlarından 

dolayı; bu sistemlerin başarımlarını, gerçek zamanlı veya yüksek çerçeve 

hızlarında (frame rate), değerlendirebilmek kapsamında geliştirilen 

yazılımlara duyulan ihtiyaçlar gün geçtikçe artmaktadır. Piyasa da ticari 

olarak KÖ ışıma benzetimi kapsamında geliştirilmiş yazılımlar mevcut 

olmasına rağmen, birçok ülke ve kuruluş bu tür yazılımlara kısıtlı erişim 

imkânı sunmakta ve sentetik KÖ sahne benzetimi ile ilgili yapılan 

çalışmaların çok azına erişilebilinmektedir. Bu tip yazılımlar, başlıca; KÖ 

Sahne Üreteci, KÖ Isıl Transfer, KÖ Sensör Modeli ve KÖ Hedef Tespit / 

Takip yazılımı gibi bileşenlerden oluşmaktadır. Bu yazılım bileşenlerinin, 

özellikle KÖ Isıl Transfer ve KÖ Sensör Modeli yazılımlarının fiziksel rutinler 

göz önünde bulundurularak geliştirilmesi ve hızlı çalışması, 'fiziksel olarak 

doğru' KÖ sentetik sahne imgelerinin üretilebilmesi ve gerçekleştirilen 

benzetimin geçerliliği / doğruluğu açısından büyük önem arz etmektedir. 

 Bu amaç doğrultusunda; çalışma kapsamında KÖ Isıl Transfer (KÖ-

ISIT), KÖ Sensör (KÖ-SENSÖR) ve KÖ Hedef Tespit-Takip (KÖ-HTT) 

modülünü içerisinde barındıran bir KÖ Sahne Üreteci (KÖ-SÜ) yazılımı 

geliştirilmiştir.
Çalışma kapsamında geliştirilen yazılımın ürettiği sonuçlar, ticari 

yazılım paketlerinin ürettiği sonuçlar ve literatür ile karşılaştırılmış, yazılımın 

belirli test koşulları altındaki başarısı ortaya konulmuştur. Ülkemizde özellikle 

fiziksel yaklaşımlar altında, problemi nesnenin ısısal etkileşimlerinden 

başlayarak ele alan ve farklı atmosferik ortam koşulları altında belirli KÖ 

dalgaboylarında çalışan bir algılayıcının gördüğü bir sentetik sahnenin 

oluşturulması basamağına kadar inceleyen bugüne kadar yapılmış bir 

çalışma bilgimiz dâhilinde bulunmamaktadır. Bu kapsamda çalışmanın 

özellikle sentetik KÖ sahne benzetimi ile ilgili önemli bir temel sağlayacağı 

değerlendirilmektedir. Çalışmanın, platform yüzeylerinin ortam ve birbirleriyle 

ısıl etkileşimleri ile algılayıcı etkilerinin hesaba katıldığı durum(lar) altında 

koşturulacak olan hedef tespit, tanıma ve izleme algoritmalarının 

eniyilenmesine yönelik yapılacak olan çalışmalara ışık tutacağı 

düşünülmektedir. Dahası çalışmanın, gerçek zamanlı benzetim ihtiyacı 

bulunan döngüde (açık ve / veya kapalı döngü) başarım test sistemlerinin 

geliştirilmesi kapsamındaki çalışmaları destekleyici / yol gösterici olacağı 

değerlendirilmektedir. Ayrıca çalışmanın, platform(lar)a ait KÖ ışımanın 

bastırılması ve bu konuda alınabilecek tedbirler konusunda ki çalışmalara da 

yarar sağlayacağı değerlendirilmektedir.

Anahtar Kelimeler: Kızılötesi (KÖ), KÖ Sahne Üreteci, KÖ Isıl Transfer, KÖ

Sensör Modeli, KÖ Hedef Tespit ve Takip, Isı Transfer 

denklemi, RadThermIR yazılımı, MuSES yazılımı, 

MODTRAN, GPU (Graphical Processing Unit), CUDA

(Compute Unified Device Architecture).

Abstract:
Due to the widespread use of infrared (IR) imaging systems in 

detection, recognition and tracking of targets, there is a growing need as for 

software that has been developed to fully evaluate the performance of these 

systems in real-time at high frame rates. Although there are international 

commercial softwares in the market which have been developed for IR scene 

generation, most countries and organizations grand a restricted use for 

these. Only few of the studies on synthetic infrared scene simulation can be 

accessed due to confidentiality. Such software primarily include components; 

such as the Infrared Scene Generator, IR Heat Transfer, IR Sensor Model 

and IR Target Detection / Tracking softwares. The development of these 

software components, especially the IR Heat Transfer and IR Sensor Model 

softwares depend on physics based routines that can operate at a high 

speed in order to generate a physically-correct scene and in order to have a 

simulation that is valid / accurate. 

 To this end, an IR Scene Generator (IR-SG) software which includes 

an IR Heat Transfer (IR-HT) module, an IR Sensor (IR-SENSOR) module 

and an IR Target Detection / Tracking (IR-TDT) module has been developed. 

The IR-HT module is responsible for calculating the temperature of each 

patch and the IR radiation on relevant platforms. The IR-SENSOR module is 

responsible for simulating the IR imagers that sense the IR scene.
IR-TDT module is responsible for detecting and tracking the platforms 

in the IR scene. IR-SG software, is responsible for simulating the 

environmental and atmospheric effects that affects the synthetic scene 

sensed by the IR imaging system, for enabling the dynamic visualization of 

the platform with the help of a motion model, for the production / generation 

of IR scene which includes platform radiations provided by the IR-HT module 

in a synthetic environment, and for providing real-time input to the IR-
SENSOR and IR-HT modules. The results produced by the software 

developed within this study was compared with those of the commercial 

software packages and those repoorted in the literature and it has been 

demonstrated that the software has achieved success under certain test 

conditions. As far as we know, in our country there is not a reported study 

that handles the problem beginning with the thermal interactions of the object 

and ending with the process of sensing of the IR scene by a sensor operating 

at given IR wavelengths under various atmospheric conditions In this context, 

it is thought that the study will provide a significant basis especially for 

synthetic IR scene simulation. It is also thought that the study will shed light 

on the studies to be conducted regarding the optimization of target detection 

and tracking algorithms that will be run under the conditions in which sensor 

effects and the interactions of platform surfaces with each other and the 

environment are taken into account. It is also expected that the study will 

support / guide the studies on the development of the closed-loop system 

performance testing that require real-time simulations. It is also evaluated 

that the study will be useful for the suppression of IR radiation of the 

platform(s), and for the studies on the measures that could be taken 

regarding this issue.

Key Words: Infrared (IR), Infrared Scene Generator, Heat Transfer, IR 

Sensor Model, IR Target Detection and Tracking, Heat 

Transfer Equation, RadThermIR software, MuSES software,

MODTRAN, GPU (Graphical Processing Unit), CUDA 

(Compute Unified Device Architecture).