Model of bidirectional reflectance distribution function for metallic materials

Based on the three-component assumption that the reflection is divided into specular reflection,directional diffuse reflection,and ideal diffuse reflection,a bidirectional reflectance distribution function（BRDF） model of metallic materials is presented.Compared with the two-component assumption that the reflection is composed of specular reflection and diffuse reflection,the three-component assumption divides the diffuse reflection into directional diffuse and ideal diffuse reflection.This model effectively resolves the problem that constant diffuse reflection leads to considerable error for metallic materials.Simulation and measurement results validate that this three-component BRDF model can improve the modeling accuracy significantly and describe the reflection properties in the hemisphere space precisely for the metallic materials.

Bidirectional reflectance one-dimensional rough distribution function modeling of surface in the microwave band

In this study, the bidirectional reflectance distribution function （BRDF） of a one-dimensional conducting rough surface and a dielectric rough surface are calculated with different frequencies and roughness values in the microwave band by using the method of moments, and the relationship between the bistatic scattering coefficient and the BRDF of a rough surface is expressed. From the theory of the parameters of the rough surface BRDF, the parameters of the BRDF are obtained using a genetic algorithm. The BRDF of a rough surface is calculated using the obtained parameter values. Further, the fitting values and theoretical calculations of the BRDF are compared, and the optimization results are in agreement with the theoretical calculation results. Finally, a reference for BRDF modeling of a Gaussian rough surface in the microwave band is provided by the proposed method.

Three-Component Model for Bidirectional Reflection Distribution Function of Thermal Coating Surfaces

We present a bidirectional reflection distribution function （BRDF） model for thermal coating surfaces based on a three-component reflection assumption, in which the specular reflection is given according to the microfacet theory and Snell＇s law, the multiple reflection is considered Nth cosine distributed, and the volume scattering is uniformly distributed in reflection angles according to the experimental results. This model describes the reflection characteristics of thermal coating surfaces more completely and reasonably. Simulation and measurement results of two thermal coating samples SR107 and S781 are given to validate that this three-component model significantly improves the modeling accuracy for thermal coating surfaces compared with the existing BRDF models.

基于BRDF可见光偏振成像技术的海面溢油油种识别研究

海上溢油事件发生后需要及时判断溢油种类,为溢油事故处置提供及时有效的应对措施。本文利用BRDF多角度测量装置和可见光偏振相机对不同油种和清洁海水进行观测,基于可见光偏振特征筛选出最佳观测Stokes参量和对应观测几何,构建了清洁海水和不同油种数据集,并建立了基于BRDF偏振特征的DBN溢油油种识别模型。研究发现,在实验室可控条件下,相对方位角–60°、0°、–30°组合时油种识别效果较好,光源天顶角和相机观测角二者在接近±50°时识别效果较好;多次重复实验显示,海水、原油、重油、汽油、柴油、棕榈油的最优识别率分别为90%、86.27%、84%、80.44%、82.08%和82%;基于可见光偏振特征所建立的油种识别模型,对于海面溢油种类区分具有较好的效果。

基于生成对抗网络的单图像材质SVBRDF重建方法

针对传统的材质空间变化双向反射分布函数(spatially varying bidirectional reflectance distribution function,SVBRDF)重建方法存在重建质量不佳和对光源感知能力不足的问题,提出一种基于深度学习的面向单图像的材质SVBRDF重建新方法.首先,采用生成对抗网络框架与多组编码-解码器卷积网络架构提高SVBRDF重建质量;其次,在生成器中引入高光感知处理模块,减少SVBRDF重建时由高光所致的模糊;最后,采用一系列鉴别器对生成器网络参数进行训练,以区分网络的输出值与真实值,并利用合成图像和真实材质拍摄图像混合训练网络,解决合成图像与真实材质拍摄图像之间的像素数据分布差异问题.结果表明,基于生成对抗网络的单图像材质SVBRDF重建方法的重建质量和SVBRDF参数估计准确率都高于传统方法.

Vector Radiative Transfer in a Vertically Inhomogeneous Scattering and Emitting Atmosphere. Part Ⅱ: Coupling with Azimuthally Asymmetric Polarized Bidirectional Reflection over Oceans

The reflection of ocean surface is often assumed azimuthally symmetric in the previous vector discrete ordinate radiative transfer(VDISORT)and many other radiative transfer solvers.This assumption can lead to obvious errors in the simulated radiances.In this study,the vector radiative transfer equation is solved with a polarized bidirectional reflection distribution function(pBRDF)for computing the surface-leaving radiation from the lower boundary.An azimuthally asymmetric pBRDF model at visible and infrared bands over oceans is fully coupled with the updated VDISORT model.The radiance at the ocean surface is combined with the contributions of atmospheric scattering and surface properties.It is shown that the radiance at the ocean surface also exhibits a strong angular dependence in the Stokes vector and the magnitudes of I.Q.and V increase for a larger azimuthal dependence of pBRDF.In addition,the solar position affects the peaks of sun glitter pattern,thus modulating the signal magnitudes and the angular distributions.As ocean wind increases,the reflection weakens with reduced magnitudes of Stokes parameters and lessvarying angular distributions.

Visible characteristics of space-based targets based on bidirectional reflection distribution function

A precise modeling method of visible characteristics of the space-based target was presented based on bidirectional reflection distribution function (BRDF). The background characteristics of the space-based target were represented to build models of direct solar radiation and reflected radiation of the Earth based on blackbody radiation theory. The geometry characteristics of the target were analyzed to establish a surface equation of each surface based on its body coordinate system. The material characteristics of the target surface were described by introducing a BRDF model which considers the character of surface Gauss statistics and self-shadow and is obtained by measurement and modeling in advance. The relative positions of the space-based target, the background radiation sources and the observation platform were determined based on coordinate con- version to judge contributing surface of the target to observation system. Then a mathematical model on visible characteristics of the space target for the given optical system was built by summing reflection components of all the surfaces. Simulation of visible characteristics of the space-based target in orbit was achieved according to its given geometrical dimensions, physical parameters and orbital parameters. The results show that the method is effective for analysis on visible characteristics of the space-based target when single reflection is considered and its surface is regularly described in a surface equation, which provides a way to real-time calculation of visible characteristics of the space-based target.

基于多旋翼无人机的BRDF测量系统设计

鉴于目前场地双向反射分布函数测量的非便携性和低效性,开展了基于多旋翼无人机的场地双向反射分布函数测量系统的研制。该系统主要由多旋翼无人机和可见-短波红外光谱仪组成,其中光谱仪的观测镜头由高精度无人机云台控制。光谱仪采用两个波段探测单元,整体光谱覆盖范围为400~1700nm,两个探测单元均以平场凹面光栅分光、线阵探测器探测信号,两个探测单元的光谱分辨率分别优于3nm和12nm。为验证基于多旋翼无人机的场地双向反射分布函数测量系统的综合性能,利用该测量系统对敦煌辐射校正场进行了地表方向特性测量。试验结果表明,该便携式测量系统可以大大提高场地双向反射分布函数的测量效率,为场地双向反射分布函数测量的未来发展提供了有益参考。

基于舍选抽样BRDF离散数值的散射光线追迹方法

提出了一种基于表面双向反射分布函数(BRDF)离散测量值直接追迹散射光线的方法,以各向同性表面为例,先对随散射角离散变化的表面BRDF离散测量数据组做空间坐标转换,由散射角半球空间转换到方向余弦空间;再通过等间距赋值插等值方式得到方向余弦空间内分布的BRDF数据;然后,利用舍选抽样法不受限于累积分布函数(CDF)求解过程的优点,设计新的散射概率模型,以方向余弦空间内BRDF数值比表示离散光线的概率分布,设定检验条件筛选出散射光线的空间坐标,实现散射光线追迹。为验证本文方法的准确性与适用性,设置相同的入射角、追迹光线数量等仿真参数,编制了本文光线追迹方法的仿真程序,对不同光机元器件建模仿真,对比商用LightTools软件的仿真结果,计算二者的通用质量指数UQI作为比对评价指标。结果表明,基于舍选抽样BRDF离散数值的散射光线追迹方法,运算结果数据准确,与商用LightTools软件的仿真结果相比,UQI值均在0.998以上,且波动范围小,本方法具有良好地适用性。

便携式双向反射分布函数测量系统研究

双向反射分布函数(BRDF)是对材料表面的散射和反射特性进行描述,鉴于目前BRDF测量系统具有结构复杂、不易拆卸、光路调试困难等特点,设计了一套便携式双向反射分布函数测量系统。该测量系统主要是由光源系统、探测系统以及转角装置3个部分组成,其中对转角装置和探测部分在机械结构上进行了优化。为了验证所设计的测量系统的综合性能,利用该测量系统对典型涂层材料表面进行实验测量,分析了入射角度对物体表面反射特性的影响。实验结果表明典型涂层材料石英、氧化铝及氧化锆的表面粗糙度越大,其镜反射所占比例越小,在0°~60°的入射角之间,随着入射角度的增加,表面BRDF值也不断增加。再利用改进的Torrance-Sparrow模型所预测得测量数据与实验数据进行拟合分析,拟合结果表明测量的实验数据与理论模型预测数据拟合程度较好,最小拟合度大于96%。

改进鲸鱼优化算法的壁面红外反射特性求解

壁面的红外反射特性由双向反射分布函数(BRDF)表征和求解。目前BRDF测量需要大量实验数据,同时存在精度不高的问题。通过构建壁面反射特性测试平台,使用MR170型傅立叶红外光谱辐射计获取2~15μm波段下入射角度和各个反射角度的目标辐射亮度。针对隐身目标,应用RBF网络对3~5μm以及8~14μm波段的辐射亮度曲线进行拟合,排除大气干扰,进而求解出上述两个波段隐身目标的BRDF值。为了解决BRDF模型精度不高的问题,提出了改进的鲸鱼优化算法(IWOA),对BRDF模型参数进行反演,并设计了基于BRDF的反射率求解方法。IWOA对BRDF计算模型参数反演有良好的效果。根据反射法,应用所得到的BRDF数据求解得到的反射率为0.5496,相对误差为6.17%,满足工程需求。

目标表面可见光谱BRDF的实验测量及优化建模

介绍了一种用双向反射分布函数测定仪进行目标双向反射分布函数测量的方法。运用该测量系统在可见光谱区域对样片进行了实验测量,然后对BRDF实验数据进行谱积分预处理,结合BRDF五参数半经验统计模型,利用遗传模拟退火算法,获取样片的BRDF模型参数,并获得了三维空间的BRDF分布。结果表明,获得的可见光谱BRDF模型能准确反映材料的光散射特性,符合工程要求。

强光背景下主动偏振成像方法

针对传统光电探测方法在强光背景下目标探测对比度低的问题,本文提出一种基于激光照明的主动偏振成像方法。首先构建激光入射双向反射分布模型、激光入射偏振双向反射分布模型以及激光照明的目标表面偏振度模型,并分析3种典型目标材料偏振特性与束散角之间的耦合关系。然后在暗室可控条件下开展逆光观测实验,验证目标偏振特性受激光束散角的影响。实验结果表明:强光背景下主动偏振成像目标对比度与传统被动强度成像相比提升了86.11%,不同束散角下不同目标材料的可见光偏振特性间存在差异,金属材质相对于非金属材质的线偏振度提升更高,实验结果与理论分析具有较好的一致性。最后,在室外开展太阳逆光观测实验,验证了研究方法在室外高强光、远距离下依旧具有适用性。本研究为提升强光背景下的目标精准感知能力奠定了理论基础。

典型目标的BRDF实验室测量与模型验证

通过研究典型目标双向反射分布函数实验室测量与建模的方法分析目标的散射特性。给出F4(聚四氟乙烯)粉压制板及所测样品的反射光强度,通过经标定过的反射标准板传递,在半球空间内计算出样品在红外(1．06μm)波段的双向反射分布函数。根据五参数半经验统计模型和遗传算法,对各样片的BRDF进行了优化建模。按照模拟实验数据的标准均方误差最小的标准选择了模型参数．并将实验测量结果与模型输出进行了比对．结果表明该方法是分析目标散射特性的可行性方法。

偏振微面双向反射分布函数建模与仿真研究

偏振双向反射分布函数(p-BRDF)可以描述物体表面反射光的空间偏振特性,在许多领域得到了应用。基于微面理论,由微面和物体表面的角度关系以及微面上的菲涅耳反射,对任意偏振状态入射光和反射光的电场振动矢量进行分解与合成,得到偏振反射率pjk,将其作为菲涅耳反射项代入Cook-Torrance BRDF模型中,建立偏振微面BRDF模型。在几何光学模型中引入偏振,模型简单且有明确的物理意义。利用粒子群优化算法,结合黄铜表面的面内BRDF实验数据拟合模型中的参数,参数选取的标准均方误差为0.2820~5.7049%,最佳校正决定系数为0.9957。结果表明,偏振微面BRDF模型用于描述偏振反射特性的准确性和可行性。

基于BRDF理论的散射光谱加和性研究

依据双向反射分布函数理论,推导出散射光谱的加和性原理。散射光谱加和性是指对于材质质点之间无相互作用的平面漫反射体系,在光源与入射面材质不存在干涉、衍射、荧光、光谱上转换和光谱下转换等相互转换作用,且无光化学现象及非线性效应发生的前提下,且符合能量守恒定律的同时,由单光源或多光源照射的材料的散射光谱,等于该材料中每种材质的散射光谱的线性叠加。实验上,以几种材料的散射光谱为例,通过改变探测条件、照明条件和材质比例,进行了散射光谱加和性的实验验证,并且针对实验结果进行了误差分析。单光源条件下的最大实验误差为2.64%,多光源条件下则为2.35%,加和计算偏差均在实验误差允许范围内。由此证明了材料的散射光谱具有加和性,不受组成的材质差异性、材质的面积比例组合多样性、以及实验条件多变性影响。散射光谱加和性的首次提出,不仅为基于散射光谱的复杂结构体的特征提取及识别研究提供了确切的理论依据和有效的分析方法,而且对相关的实验分析和应用研究有着重要的借鉴和参考意义。

离散植被冠层的解析混合BRDF模型——MGeoSAIL

根据适合于垂直单角度观测的GeoSAIL模型,改进得到适合于各种角度观测的MGeoSAIL模型。它是几何光学模型和辐射传输模型的结合。具备两种模型的优点使MGeoSAIL模型更具准确性和实用性。其中几何光学模型用来计算场景内不同情况下阴影和光照成分的比例,辐射传输模型(SAIL)考虑冠层内的辐射传输计算得到树冠的反射率和投射率,将其权重加和生成场景反射率。模拟结果表明该模型简单实用,在可见光与近红外波段均能反映出"热点"效应,在近红外波段能描述出"碗边"效应,且更适合于低密度、大个体、不连续稀疏林分冠层的BRDF模拟。

利用BRDF实验测量获取目标表面单位面积激光雷达截面

介绍了一种利用双向反射分布函数实验测量获取目标表面单位面积激光雷达截面的方法,运用双向反射分布函数测量系统在特定激光波长下(1.06μm)对导弹蒙皮和坦克前甲板样片进行实验测量,根据样片的BRDF实验数据,将遗传模拟退火算法应用于目标表面BRDF统计模型的参数反演中,获取样片的BRDF模型参数,然后根据目标表面的双向反射分布函数与单位面积激光雷达截面之间的函数关系,进而可以求出样片的单位面积激光雷达截面的函数表达式。实验数据曲线表明,拟合后的实验数据与参与优化的实验数据吻合得比较好,结果说明用这种方法获取目标表面单位面积激光雷达截面是可行的和有效的。

BRDF的遗传算法和遗传模拟退火算法建模及比较

结合遗传算法和模拟退火算法,构造出具有全局搜索优化特性的遗传模拟退火算法。根据空间目标表面的多组多角度双向反射分布函数(bidirectional reflectance distribution function,BRDF)实验数据和统计模型,获得样片BRDF五参数模型参数值及2D、3D的BRDF分布。比较基本遗传算法和遗传模拟退火算法在迭代次数、计算时间、参数值及精度等之间的差异并分析其原因。遗传模拟退火算法更适用于BRDF的统计建模。

粒子群算法在BRDF模型参数优化中的应用

根据粗糙样片1.06微米激光双向反射分布函数(BRDF)的实验数据,利用粒子群算法结合BRDF五参数模型,对不同样片表面的BRDF进行了统计建模,获得了对应样片BRDF模型的参数值与偏差。获得的BRDF优化统计模型与没有参与优化建模的实验数据也吻合良好,验证了建模结果的合理性与正确性。将粒子群算法与遗传算法进行了比较,表明无论是优化计算时间还是拟合的精度,前者都明显优于后者。