法律状态公告日
法律状态信息
法律状态
2022-06-28
公开
发明专利申请公布
技术领域
本发明属于物理光学领域，具体涉及一种基于光学微面元理论几何衰减因子修正方法。
背景技术
二向反射分布函数用于表征物体表面上半球空间光的定向散射及能量分布情况，量化了物体表面上半球任何方向被光源照射的表面散射到所有方向的辐射，定义为反射的辐射亮度与入射方向的辐照度之间的比
其中辐射亮度θ
用二向反射分布函数描述物体表面的光反射特性具有唯一性的特点，它所确定的反射特性取决于物体表面本身特性，主要由表面粗糙度。介电常数、偏振等因素决定，能够很好地将材料表面的反射和散射统一于同一概念，可以表述表面的方向散射和辐射特性。不同材料光学散射特征的差异在光学特性建模中体现为不同二向反射分布函数表达形式，即二向反射分布函数的确实是描述目标光学散射特性和目标光学散射特性建模过程的关键和核心，如果在光与目标表面发生作用的过程中加入入射光和反射光的偏振态信息，将传统标量形式二向反射分布函数扩展为矢量形式的偏振二向反射分布函数，就可以将反映入射光和反射光偏振信息的Stokes矢量对应联系起来，完整表述目标表面的偏振特性。
几何衰减因子是指光在物体表面发生反射时，物体表面对光的阴影和遮蔽效应，也是决定而向反射分布函数精度的重要因素，其又与表面模型、粗糙度、材料复折射率等因素有关。
对几何衰减因子的研究最早从1977年开始，并陆续有人提出新的模型以及修正，但现有模型在实际应用中仍存在拐点、自身不能维持有界、模型考虑不完善等局限性，这些问题严重影响了利用二向反射分布函数表征物体表面上半球空间光的定向散射集能量分布的精度，从而无法准确的分析物体的偏振特性。
发明内容
本发明提供了一种基于光学微面元理论几何衰减因子修正方法，该方法能够获得准确的、合理的几何衰减因子，了解物体偏振特性是偏振探测的第一步，特性分析的越完善，偏振探测的效果越好，因此准确、合理的几何衰减因子将增强偏振探测的效果。
一种基于光学微面元理论几何衰减因子修正方法，包括：
利用微面元理论，设定物体表面由多个微面元构成，每个微面元由靠近入射光的第一照射面和远离入射光的第二照射面构成；
基于第一照射面与入射光的几何关系，采用法向量夹角概率模型，分别得到入射光完全通过第一照射面的概率，入射光未通过第一照射面的概率，入射光部分通过第一照射面的概率；
基于入射光完全通过第一照射面后照射到第二照射面的几何关系，采用法向量夹角概率模型，分别得到入射光完全通过第二照射面的概率，入射光完全遮蔽第二照射面的概率，入射光部分通过第二照射面的概率；基于入射光完全通过、完全遮蔽、部分通过第二照射面的概率和与入射光完全通过第一照射面的概率进行乘积得到第一乘积概率；
入射光完全通过第一照射面后形成第一反射光，基于第一反射光与第二照射面的几何关系，采用法向量夹角概率模型，分别得到第一反射光完全通过第二照射面的概率，第一反射光经第二照射面后向反射的概率；基于第一反射光完全通过第二照射面，以及经第二照射面后向反射的概率和与入射光完全通过第一照射面的概率进行乘积得到第二乘积概率；
基于入射光部分通过第一照射面后形成第二反射光，基于第二反射光与第二照射面的几何关系，采用法向量夹角概率模型，分别构建第二反射光经第二照射面前向反射的概率，第二反射光经第二照射面后向反射的概率；基于第二反射光经第二照射面前向、后向反射的概率和与入射光部分通过第一照射面的概率进行乘积得到第三乘积概率；
基于入射光未通过第一照射面的概率，以及第一、二、三乘积概率构建修正后的几何衰减因子，以获得入射光的遮挡概率，将修正后的几何衰减因子代入二向反射分布函数得到反射光的辐射能量，以探测物体的形貌。
每个微面元由靠近入射光的第一照射面和远离入射光的第二照射面构成，包括：
每个微面元的底边长相等，每个微面元的第一照射面和第二照射面的倾斜角服从随机高斯分布，且倾斜角范围为(-π/2，π/2)。
基于物体表面粗糙度，采用微面元理论构建物体微面元表面与宏观表面的法向量夹角概率模型p(χ)：
其中，χ为微面元的微观法向量与物体表面宏观法向量的夹角，C为使函数p(·)在整个空间积分为1的归一化系数，σ为表面粗糙度，θ
基于第一照射面与入射光的几何关系采用法向量夹角概率模型分别构建入射光完全通过第一照射面的概率P
其中，α为第一照射面的微面元的微观法向量与物体表面宏观法向量的夹角，a为入射光通过的纵向距离，b为入射光未通过的纵向距离。
基于入射光完全通过第一照射面后照射到第二照射面的几何关系采用法向量夹角概率模型，分别构建入射光完全通过第二照射面的概率
其中，γ为第二照射面的微面元的微观法向量与物体表面宏观法向量的夹角，α为第一照射面的微面元的微观法向量与物体表面宏观法向量的夹角。
基于第一反射光与第二照射面的几何关系采用法向量夹角概率模型分别构建第一反射光完全通过第二照射面的概率
其中，γ为第二照射面的微面元的微观法向量与物体表面宏观法向量的夹角，α为第一照射面的微面元的微观法向量与物体表面宏观法向量的夹角。
基于第二反射光与第二照射面的几何关系采用法向量夹角概率模型分别构建第二反射光经第二照射面前向反射的概率
其中，γ为第二照射面的微面元的微观法向量与物体表面宏观法向量的夹角。
修正的几何衰减因子模型G为：
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明利用微面元理论，将粗糙表面分为由两个面构成的多个微面元，通过每个微面元的两个面与入射光和反射光的几何关系，采用法向量夹角概率模型得到不同几何关系下的入射光的遮挡概率，以得到修正的几何衰减因子，将修正后的几何衰减因子代入二向反射分布函数准确获得反射光的辐射能量，达到准确探测物体形貌的目的。
附图说明
图1为具体实施方式提供的微面元反射模型；
图2为具体实施方式提供的第一照射面与入射光的几何关系图；
图3为具体实施方式提供的入射光完全通过第一照射面后形成第一反射光与第二照射面的几何关系图；
图4为具体实施方式提供的基于入射光部分通过第一照射面后照射到第二照射面的几何关系图；
图5为具体实施方式提供的基于入射光完全通过第一照射面后照射到第二照射面的几何关系图；
图6引入Blinn、积分型、修正后GAF和文献中已有二向反射分布函数归一化数据对比
具体实施方式
现结合附图对本发明具体实施方法阐述如下：
本发明提出一种积分形式几何衰减因子的修正方法以及修正后模型的精确表达式，通过分析几何衰减因子的原理和特点，提出以下假设：(1)物体表面是由许多组的微面元构成，微面元的底边长相等，设置为单位“1”；(2)物体表面的相邻微面元不仅是简单的“V”形凹槽，且微面元的倾斜角服从随机高斯分布；(3)相邻微面元的倾斜角是相互独立的，且界定第一照射面和第二照射面的倾斜角范围为(-π/2，π/2)。
结合微面元理论，将入射面和反射面与物体宏观表面法向量夹角单独讨论，并在讨论每种情况下物体表面对入射、反射光的遮蔽和阴影效应，最终构建积分型几何衰减因子修正后的模型，具体步骤为：
微面元反射模型如图1所示，根据物体表面粗糙度实际意义，采用微面元理论构建物体微面元表面与宏观表面的法向量夹角概率模型p(χ)：
其中，χ为微面元的微观法向量与物体表面宏观法向量的夹角，C为使函数p(·)在整个空间积分为1的归一化系数，σ为表面粗糙度，θ
第一照射面与入射光的几何关系图如图2所示，基于第一照射面与入射光的几何关系，即如图2中的a所示，入射光完全通过第一照射面，如图2中的b所示，入射光未通过第一照射面，如图2中的c所示，入射光部分通过第一照射面，采用法向量夹角概率模型分别构建入射光完全通过第一照射面概率模型P
其中，α为第一照射面的微面元的微观法向量与物体表面宏观法向量的夹角，a为入射光通过的纵向距离，b为入射光未通过的纵向距离。
基于入射光完全通过第一照射面后照射到第二照射面的几何关系，即入射光完全通过第二照射面，如图3中的a所示，入射光完全遮蔽第二照射面，如图3中的b所示,入射光部分通过第二照射面，如图3中的c所示,采用法向量夹角概率模型，分别构建入射光完全通过第二照射面概率模型
其中，γ为第二照射面的微面元的微观法向量与物体表面宏观法向量的夹角，α为第一照射面的微面元的微观法向量与物体表面宏观法向量的夹角。
入射光完全通过第一照射面后形成第一反射光，基于第一反射光与第二照射面的几何关系采用法向量夹角概率模型分别构建第一反射光完全通过第二照射面概率模型
其中，γ为第二照射面的微面元的微观法向量与物体表面宏观法向量的夹角，α为第一照射面的微面元的微观法向量与物体表面宏观法向量的夹角。
基于入射光部分通过第一照射面后形成第二反射光，基于第二反射光与第二照射面的几何关系采用法向量夹角概率模型分别构建第二反射光经第二照射面前向反射的概率
其中，γ为第二照射面的微面元的微观法向量与物体表面宏观法向量的夹角。
第二照射面倾斜角γ较大时，即角度为(π/2，θ
基于入射光未通过第一照射面的概率，以及第一、二、三乘积概率构建修正后的几何衰减因子G为：
如图6所示，为了验证模型的有效性，将引入修正后几何衰减因子与引入Blinn、积分型和不引入几何衰减因子的二向反射分布函数与已公布的实验数据作对比。结果表明引入修正后几何衰减因子的二向反射分布函数在数值和整体趋势上更符合实验数据曲线。
