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。

基于神经网络的粗糙表面双向反射分布函数建模

分析粗糙表面双向反射分布函数的测量方法,提出一种使用人工神经网络技术建立目标表面材料双向反射分布函数模型的方法。给出测量样品多个入射角度下的BRDF随散射角变化的曲线,从中选取部分曲线输入到神经网络,使用贝叶斯正则化方法训练网络,最终获取双向反射分布函数和入射角、散射角的映射关系模型。使用网络模型计算参与训练和未参与训练的输入角度的散射分布曲线,与实验测量曲线进行比较,结果表明:建立的模型正确,具有应用价值。

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%。

双向反射分布函数在空间目标可见光反射特性建模中的应用

针对空间目标可见光反射特性提出了一种建模方法。双向反射分布函数(BRDF)可以有效地描述目标表面材料的空间反射特性和光谱特性。根据目标表面状况及背景辐射环境,选取合适的双向反射分布函数模型,利用辐射理论在可见光波段建立了空间目标反射特性的数学模型。基于轨道参数进行了仿真计算。计算结果表明太阳帆板与卫星主体相比,其在探测器入瞳处的辐照度只小一个数量级,在目标光学特性分析时不可忽略。而且,空间目标反射特性不仅与太阳、地球和目标三者之间的实时位置有关,还与其几何形状、表面材料等有关。仿真分析结果验证了建模的正确性。

基于混合遗传算法的偏振双向反射分布函数优化建模

为了表征复杂涂层表面的光学散射特性,在微面元理论的基础上,建立了典型涂层样片的偏振双向反射分布函数模型。由于实验数据与模型参数之间存在复杂的非线性关系,采用了遗传算法对模型参数进行反演。针对遗传算法收敛速度慢及易限于局部极小的特点,在传统遗传算法参数反演的基础上,在适应度计算中引入了模拟退火算法对偏振双向反射分布函数模型进行优化建模。实验结果表明:模型的计算结果与实验结果吻合较好。从误差收敛曲线来看,这种混合遗传算法优化方法不仅可以有效避免目标函数陷入局部极小,而且可以有效缩短目标函数的收敛时间。这可以为后续的目标特征提取与识别工作提供参考。

表面损伤衍射双向反射分布函数模型建立及分析

建立了包括划痕和坑点在内的表面损伤的衍射双向反射分布函数(BRDF)模型,并分析了模型在各领域中的应用。通过使用非傍轴标量衍射理论,提出了采用相干窗口函数滤波的方法得到非相干光条件下的表面损伤衍射BRDF模型,得到了表面划痕和坑点的散射特性。该方法在表面损伤检测、表面损伤杂光分析以及图像渲染技术等领域都有重要的应用价值。

材料表面偏振双向反射分布函数模型修正

为表征物体表面偏振散射特性对目标偏振信息提取的影响,基于微面元散射模型结合KubelMunk理论,综合考虑镜面散射和漫散射,构建一种改进的偏振双向反射分布函数(pBRDF)模型,得到物体表面散射光的偏振度与材料复折射率、方位角、探测角和入射波长等因素的数学模型,并利用该模型对基础材料的复折射率进行反演.结合实际应用利用FD-1665偏振成像仪在不同影响因子条件下对目标表面进行了一系列偏振探测实验.最后将数值模拟结果和实测数据进行比较,其材料偏振特性曲线与实测数据吻合,表明修正后的模型有较高的精确度,该模型可以为后续的偏振监测和目标识别工作提供理论支持.

涂层表面偏振双向反射分布函数的多参量混合模型

为了表征不同涂层表面的偏振光学散射特性,在基于微面元理论的偏振双向反射分布函数模型的基础上,针对不同涂层样品提出了一种适用范围更广的多参量偏振双向反射分布函数模型.采用遗传算法对实验数据进行模型参量拟和.实验结果表明,对几种不同的涂层样品,这种多参量模型的模拟计算结果与测量结果均能较好吻合,可以为后续的目标偏振特征提取与识别工作提供参考.

建筑材料表面红外双向反射分布函数实验分析

为了深入研究建筑物表面红外反射分布特性和散射分布特性,选择建筑外饰面常用的3种典型材料(如花岗岩、铝板和镀膜玻璃),通过自行搭建双向反射分布函数(BRDF)实验台,利用聚四氟乙烯粉压制的标准白板(近似朗伯体)为单一参考试样,分别用0.632 8、1.340 0和3.390 0μm波段3种激光器,在不同的入射角度下,对各材料表面的BRDF分布进行了测量.结合其表面粗糙度并通过实验数据探讨了其表面反射特性与散射特性,指出了镀膜玻璃表面在近中红外区(入射波长为3.390 0μm)其表观上反射存在多峰值的现象,同时其BRDF分布值较0.632 8和1.340 0μm的有明显提高.该研究结果表明:不同入射波长时镀膜玻璃表面反射具有较大的差异性.

遗传算法在双向反射分布函数模型参数优化中的应用

对以大理石为代表的材料进行了双向反射分布函数测量实验,得出了样品的半球反射率,并研究了其随入射、反射天顶角等参数变化的规律。采用遗传算法建立了金刚砂和大理石材料的双向反射分布函数的参数模型,对模型进行参数反演时,通过遗传算法进行优化。拟合后的实验数据曲线表明,利用遗传算法得到的结果具有较好的一致性。

双向反射分布函数模型的对比分析研究

在双向反射分布函数基本概念的基础上对比分析了三种常用模型:各项异性Phong模型、T-S模型和Davis模型。通过使用MATLAB仿真,指出各模型的优缺点及适用领域,为建立光度曲线选择模型提供依据。将各向异性Phong模型解析为镜面反射和漫反射两类分量,并将反射率分解成漫反射率和镜面反射率两部分,以应用于较高精度的视星等计算。由T-S模型中的粗糙度参数可以快速鉴别出材料的镜面反射和漫反射分量,模型简练,适用于快速计算目标视星等以及建立偏振双向反射分布函数模型。探查Davis模型中所含有的波长参数,可用以分析目标的光谱特性。

可见光散射模型双向反射分布函数的仿真分析

双向反射分布函数(BRDF)模型是建立空间目标反射太阳光光度曲线的重要组成部分,反映了目标自身特性对反射光强的影响,为精确研究其中包含的一般规律,利用MATLAB软件,对已成功应用于空间目标识别领域的T-SBRDF模型进行仿真和分析。针对粗糙度较小和粗糙度较大的两种情况,观察研究反射角方向、T-S双向反射分布函数以及BRDF值等参量,对反射的镜面反射/漫反射程度作出判定。仿真分析所得出的结论为后续反演空间目标位置参数提供了依据。

植被双向反射分布函数的模型及其发展

介绍了双向反射分布函数(BRDF)的概念和反映植被特性的归一化植被指数(NDVI)、增强植被指数(EVI)、差值植被指数(DVI)等一些重要指数参数。评述了近年发展起来的植被BRDF模型的构建方法,例如统计反演方法,MODIS植被指数合成法和集合卡曼滤波法(EnKF)。分析了目标表面BRDF数据的获取方法和改进的驱动核算法。对BRDF模型的发展趋势进行了展望。

深孔内表面双向反射分布函数测量与建模

提出了一种基于内窥镜图像的孔内表面双向反射分布函数(BRDF)测量与建模方法,为实现基于机器视觉的孔内表面缺陷检测提供理论依据。建立内窥成像反射模型,分析内窥图像亮度及其三维形貌关系。以不锈钢和镀锌表面螺纹孔为例,通过图像亮度和法线方向测量孔内表面BRDF值。在混合反射模型基础上建立三种孔内表面反射特性模型,采用遗传算法确定不同材料的最优模型参数并分析模型误差。实验结果表明,基于Cook-Torrance模型的inBRDF模型能够较好地反映孔内表面反射特性,模型计算结果与测量结果吻合度高,两种材料平均拟合误差为6.22%,能够准确描述孔内表面反射特性并可应用于孔内表面缺陷检测及形貌重建。

基于双向反射分布函数的海面红外偏振特性表征模型

针对红外波段下海面偏振特性建模的问题,在双向反射分布函数的基础上,建立了海面微面元的偏振双向反射分布函数模型。综合考虑了海面的自发辐射效应和反射效应对探测器接收辐射的影响,提出了一种新的海面红外偏振特性表征模型。利用Elfouhaily海浪谱和快速傅里叶变换计算了海面的高度场信息和斜率信息。数值计算了不同观测天顶角和不同风速下海面自发辐射的线性偏振度,以及不同入射天顶角下海面反射辐射的线性偏振度,仿真生成了海面和舰船的红外偏振图像。仿真数据与文献数据的对比分析表明,本文所建立的红外偏振特性模型适用于分析海面的红外偏振特性。与传统的红外强度图像相比,红外偏振图像可以提供更多关于海面的细节信息。同时,目标与海面的偏振特征差异更明显,对比度更高。所提出的海面红外偏振特性表征模型对海上目标的探测识别应用具有重要的意义。

基于改进型Blinn遮蔽函数的目标材料表面可见光偏振反射研究

为了研究典型目标材料表面的可见光偏振反射特性,本文针对传统“V”型表面结构缺陷,引入改进Blinn型阴影遮蔽函数,综合考虑镜面反射、漫反射和体散射的影响,建立了典型目标材料表面偏振六参量双向反射分布函数模型。对不同材料(聚丙烯塑料板、99氧化铝陶瓷板、铁板、绿漆铝板)目标样板进行可见光600 nm波段的偏振特性测试实验,并采用遗传算法进行参数反演。实验与仿真结果表明:与传统“V”型遮蔽模型相比,在入射角为50°,相对方位角为180°,0°~60°观测角对目标材料表面偏振特性的影响中,聚丙烯塑料板模型精度提升最大,RMSE百分比提升了70.61%;在入射角为50°,观测角为50°,DoLP随90°~270°相对方位角变化的过程中,与另两种参考模型相比,本模型精度至少提升了24.73%,线偏振度最小均方根误差值仅为1.29%。对于本文使用材料而言,偏振特性取决于其复折射率的值,当入射角确定,观测角为0°~60°,相对方位角在0°~360°内时,n/k的比值越大,线偏振度峰值越大。在可见光波段,波长对线偏振度的影响不大。

航天消光黑漆双向反射分布函数的测量与应用

为了了解经过消光黑漆(Z306)喷涂处理后航天相机遮光罩表面对杂散光的散射特性,对喷涂了Z306的铝板样品进行了双向反射分布函数(BRDF)测量和建模分析。通过测量获得了黑漆样片在0.65μm波段的BRDF值。结合Z306黑漆测量数据的散射特征,选择了适合粗糙黑漆表面的Microfacet-based模型,并对模型进行了修正。使用修正的Microfacet-based模型对测量数据处理并建模,得到了样片整个半球空间的BRDF数据,弥补了测量数据量少和测量误差带来的缺陷。将黑漆的BRDF数据代入软件,分析并进行了光学系统杂散光测试验证。结果表明:采用修正的Microfacet-based模型处理黑漆的BRDF后,分析光学系统杂散光(点扩散函数,PST)得到的结果与实际测量的杂散光(PST)的一致性很高,实测值与分析值比值的对数精度优于0.5。得到的结果证明了BRDF建模的必要性和数据处理的准确性,为光学系统的杂散光抑制提供了重要的保障。

花岗岩表面双向反射分布函数实验研究

本文介绍了双向反射分布函数(BRDF)的概念及测量方法。首先对典型建筑材料中的某种花岗岩表面进行了表面粗糙度的测量,并在现有条件内通过转动样片和探测器,实现了空间BRDF的测量,测量波段分别为0.6328 μm和1.34 μm,分析了表面粗糙度对BRDF的影响。

基于双向反射分布函数实验测量的目标散射特性的分析

介绍了一种用双向反射分布函数(BRDF)测定仪进行目标双向反射分布函数测量的方法。以聚四氟乙烯(F4)粉压制板作为反射标准板,给出了F4标准板及所测样品在双向反射分布函数测定仪上的测量数据。被测样片的反射光强度经标定过的漫反射标准板传递,最终在较高分辨率的半球空间内分析计算出了样品在红外(1.06μm和0.86μm)波段的双向反射分布函数。实验结果表明,该方法是一种分析目标散射特性的可行性方法。

基于六轴串联机械手的双向反射分布函数测量装置

由于现有的双向反射分布函数（BRDF）测量装置多为3轴系统,不能完全实现样品表面以上2π空间的全角度BRDF测量,本文研制了新型BRDF测量装置.该新型装置采用高精密六轴串联机械手作为待测目标的定位机构,使待测目标在测点进行三维转动;采用竖转台作为探测器探头的定位机构,使探头指向绕测点进行一维转动,从而形成4维转动以构建BRDF测量所需的4角几何关系.研制的装置可测量的入射和反射光束角度为：方位角0～360°、天顶角0～70°;光谱可扫描区350～2 500 nm.BRDF测量过程由测控软件控制,可高精度、无遮挡、全自动、快速地构建BRDF测量几何关系,一次待测目标和探测器定位以及光谱扫描、传输、显示、存储平均用时约8 s,测量不确定度优于2.5％（k=2）.