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。

粗糙路面检测链路模型研究

粗糙路面的反射特性影响路面检测系统的性能和路面气象检测的准确性,根据传统微面元模型,提出了一种多参量半球形等效仿真模型,建立了基于无线激光的粗糙路面链路传输模型。通过采用蒙特卡洛统计方法,分析了反射光在不同入射角和粗糙度情况下接收光功率的变化以及光子的分布规律。基于该模型,设计并实现了一套850 nm波长的非接触式激光路面状况检测系统,并利用该系统验证模型的准确性。仿真及实验结果均显示,随着入射光与路面法线方向夹角(入射角)的增大,接收到的光功率逐渐减小。当入射角小于15°时,粗糙度的增加与接收的光功率负相关;入射角大于15°时,随着粗糙度的增加,接收到的光功率逐渐增加,粗糙度越大,接收光功率与入射角的衰减关系越接近线性;当入射角达到60°时,接收到的光功率趋于常数。实验结果与模型仿真结果相吻合,从而验证了粗糙路面光反射等效半球形模型的有效性,且接收的回波信号信噪比不受路面粗糙度影响。

高精度激光定位散斑机理分析及抑制

为有效解决高精度视觉定位测量系统中激光随机散斑导致的光斑质心定位精度降低问题,对散斑机理及抑制方法进行研究。从激光光斑的成像过程分析了激光随机散斑出现的原因,并推导出空间中任意一点总波扰表达式。建立了成像介质吸光性、粗糙度和表面出射光信噪比与随机散斑强度的关系模型,得出增加成像介质粗糙度和吸光性来提高出射光信噪比,进而降低随机散斑强度的结论。通过改变成像介质的物理特性进行对比实验,获得光斑质心位置稳定性随成像介质物理特性变化的趋势,验证了关系模型的正确性。实验结果表明,当激光功率为50 mW时,选取吸光性强、粗糙度与厚度适中的成像介质作为成像靶面,激光光斑质心的提取精度稳定在0.04个pixel之内,实现了对激光散斑的抑制,提高了光斑质心的定位精度。

基于遗传LM算法的涂层目标光谱偏振BRDF建模分析

通过比较测量方法测量得到绿漆涂层木板探测目标在400~720 nm的光谱偏振二向反射分布函数值,从获得的户外试验测量数据入手,分析与探测角、波长之间的关系,通过有限探测条件得到的光谱偏振二向反射分布函数值（BRDF）建立光谱偏振BRDF模型,来描述探测目标的偏振二向反射特性。其中利用基于小面元的模型建立光谱偏振BRDF模型,利用遗传算法和Levenberg-Marquardt（LM）算法相结合的优化算法来获得非线性模型参数。仿真实验结果表明采用的遗传LM优化算法具有较好的性能,能较快较准确得到非线性的模型参数。真实实验数据证明了基于小面元模型的正确性,表明光谱偏振二向反射分布函数建模方法结果的可靠性。最后与绿漆涂层铁板目标的模型反演参数进行比较得出：2种不同材质、相同颜色涂层的目标,具有较为接近的折射率,其较小差别可以理解为由涂层的厚度、均匀程度的不同导致,而非不同的材质所引起。

基于随机表面微面元理论的二向反射分布函数几何衰减因子修正

现有几何光学方法的二向反射分布函数BRDF(bidirectional reflection distribution function)模型在计算阴影遮蔽效应时普遍应用Blinn几何衰减效应假设,其等倾角V形槽近似得出的分段折线形式的几何衰减因子导致BRDF曲线存在较大的误差.基于倾斜角随机高斯分布的微面元理论提出了一种新的几何衰减模型,得出了积分形式的几何衰减因子表达式,数值模拟比较了Blinn几何衰减因子与修正后的积分型衰减因子以及对应的BRDF模型曲线.结果表明:提出的几何衰减因子在物理合理性以及模拟精度方面都有明显提升,使BRDF模型曲线与已有BRDF数据之间的标准误差由0.0636减小到0.0084.

粗糙基底上涂层的极化双向反射分布函数

为了有效检测光学基底和镀膜后的光学元件质量,根据微面元电磁散射理论建立了一阶极化光散射模型,推导求解出其极化双向反射分布函数,获得了极化双向反射分布函数PP项与散射角和方位角的三维关系。数值模拟分析了入射角、基底粗糙度及不同涂层厚度对极化双向反射分布函数的影响。数值结果表明:极化双向反射分布函数与入射角、相关长度、均方根高度及涂层厚度均成反比。P极化入射产生的P极化双向反射分布函数强烈依赖于入射角、散射角和方位角。布鲁斯特角的位置随着入射角的增加逐渐向散射方位角小的方向移动。

地球外层空间物体真实感成像建模与绘制研究

针对现有模型在地球外层空间物体真实感成像绘制中的局限性和不足,建立一种基于几何光学原理和光线追踪技术的BRDF微面元模型.该模型综合了微面元的朝向分布和表面反射率以及微面元之间遮挡关系对地球外层空间物体表面反射特性影响,以提高对空间物体表面反射光空间分布特征的建模精度,并把光学反射特性分解为微面元的漫反射特性和镜面反射特性两个分量,不仅能反映空间物体整体亮度特征,而且能描述空间物体局部高光特征.通过与实际测量数据比较,该模型曲线与测量结果基本一致.实验结果表明,采用该模型能够实现对地球外层空间物体真实感成像绘制效果.

利用选择性外延法生长单芯片双波长白光InGaN/GaN多量子阱结构

为了制备单芯片无荧光粉白光InGaN/GaN多量子阱发光结构,利用选择性外延生长法在SiO2条纹掩膜板上生长出具有梯形形貌的GaN微面结构,并在该GaN微面结构上生长InGaN/GaN多量子阱结构,最终在单芯片上获得了双波长发光.结果表明:梯形GaN微面由(0001)和(11-22)面组成,两者的表面能和极性不同,并且在InGaN/GaN多量子阱生长过程中,In原子和Ga原子迁移速率不同,从而使得(0001)和(11-22)面上的多量子阱具有不同的发光波长;该性质可以使(11-22)面的微面量子阱发出蓝光(峰值波长为420nm),而(0001)面的量子阱发出黄光(峰值波长为525nm),最终形成双波长的复合白光外延结构.

基于微面元理论的“猫眼”目标回波散射偏振特性研究

为了研究"猫眼"目标表面回波散射偏振特性,基于微面元理论建立了偏振双向反射分布函数模型,指出线偏振光在"猫眼"目标表面回波散射的偏振度与目标表面粗糙度、复折射率以及入射角、探测角有关。主要研究"猫眼"目标表面粗糙度对其回波散射偏振度的影响,利用Matlab仿真得到"猫眼"目标回波偏振度与目标表面粗糙度参数σ的关系曲线。选择经过不同砂纸打磨的硅片作为"猫眼"目标进行实验,当硅片表面均方根高度分别为0.067μm、0.554μm、0.726μm、1.651μm、1.893μm时,其表面回波散射偏振度的测量值依次为98.83%、98.16%、96.08%、94.91%、94.6%,表明"猫眼"目标回波散射的偏振度随其表面粗糙度的增大而减小。

应用微表面模型进行衍射效果物理绘制

针对当前光子衍射效果绘制方法的真实感问题,提出应用微表面模型的衍射效果物理绘制方法.该方法融合了现有衍射绘制模型中的特点,并结合特定材质的可变菲涅尔系数来增强衍射效果;通过综合考虑微表面对光子的吸收、遮挡、再反射等交互场景,扩展了高度场微表面的适用范围;引入维格纳分布函数推迟衍射效果,以进一步增强微表面模型;利用蒙特卡罗采样理论求解波动方程积分式以降低计算复杂度,辅以几何光线追踪理论,求取微表面辐射度空间分布;最终以光的波动方程为基础,构建了可应用于光线追踪器的双向反射分布函数衍射光学模型.实验结果表明,该模型能够有效地模拟波的相位与幅值信息,可绘制出较为逼真的衍射效果.

应用薄膜干涉模型进行蝴蝶彩色效果物理绘制

针对当前蝴蝶彩色效果绘制方法的真实感问题,提出一种应用薄膜干涉模型的真实感绘制方法.首先根据蝴蝶表面脊突结构构造多层薄膜模型;然后利用多层薄膜干涉原理模拟光在薄膜内部的多次反射、透射形成的混合散射特性,其中,菲涅尔公式被引入以解释反射或透射波的幅值变化,微表面散射因子被创造性地引入来模拟蝴蝶粗糙表面的各向异性特性;最后通过全波长光谱建模增强干涉效果,在此基础上还将该算法与光线追踪渲染框架相结合,构建了可应用于光线追踪器的波动双向散射分布函数干涉模型,以精确地模拟光的幅值和相位变动.实验结果表明,该模型能够有效地绘制出较为逼真的蝴蝶彩色效果.

基于样本的微平面合成在轻薄透明材质表观建模中的应用

轻薄透明材质的折射现象在生活中很常见,为获得高质量的绘制效果,使用现有的表观建模方法需采集大量数据,为此提出一种数据处理的方法.使用照相机从一个固定角度对材质样本进行拍摄后,使用微平面合成方法为每一个表面点处的法向量分布函数(NDF)片段寻找与之形态相同而朝向不同的数据来补全当前NDF,得到具有较多细节的完整的双向传输分布函数.只需采集规模较小的数据,通过查找和补全处理即可获得完整数据.实验结果表明,文中方法简单易行,在增强绘制效果和细节的同时使得数据采集的效率得到提升.

基于双向反射分布函数模型的红外偏振仿真

将含有双参数的柯西分布替代常规高斯分布引入微面元双向反射分布函数(BRDF)模型,同时考虑了目标自身辐射强度的方向依赖性,在此基础上推导了长波红外偏振的数学模型,并在合理范围内对模型做简化与修正使之适用于仿真研究。对数学模型双参数(σ和q)的选择进行理论分析并验证了该模型的灵活性以及优势所在。整个仿真过程使用C语言编程实现,仿真流程主要包括目标及场景建模、模型文件处理及导入、仿真参数设定、偏振模型选择、热辐射计算、Gouraud算法表面绘制。偏振场景仿真结果较为理想,得到的目标红外偏振特性与实际图像基本吻合,表明采用的模型及算法适用于红外偏振的研究,对分析复杂目标长波红外偏振物理特性具有重要的理论意义。

基于微面斜率法的粗糙表面半透明介质层光谱散射特性分析

对具有一维高斯分布粗糙表面的半透明介质层光谱散射,基于微面斜率法建立了考虑遮蔽效应的粗糙表面光谱辐射传递概率模型,采用蒙特卡罗法模拟光谱辐射能束在粗糙表面、半透明介质层介质与镜反射基底之间的多次反射、折射和吸收等传递过程。通过数值模拟,分析了介质层表面粗糙度、光谱光学厚度、折射率和基底反射率对介质层双向反射分布函数(BRDF)的影响。结果表明,表面粗糙程度不同时,反射峰值随入射角度呈现不同的变化趋势;表面粗糙度增加或折射率增大都将导致漫反射份额增大;介质层光谱光学厚度和基底反射率主要影响BRDF的数值大小,而对BRDF的分布形态影响很小。

Real-time rendering of layered materials with anisotropic normal distributions

This paper proposes a lightweight bidirectional scattering distribution function(BSDF)model for layered materials with anisotropic reflection and refraction properties.In our method,each layer of the materials can be described by a microfacet BSDF using an anisotropic normal distribution function(NDF).Furthermore,the NDFs of layers can be defined on tangent vector fields,which differ from layer to layer.Our method is based on a previous study in which isotropic BSDFs are approximated by projecting them onto base planes.However,the adequateness of this previous work has not been well investigated for anisotropic BSDFs.In this paper,we demonstrate that the projection is also applicable to anisotropic BSDFs and that the BSDFs are approximated by elliptical distributions using covariance matrices.