專利名稱：復(fù)雜空間目標(biāo)光散射建模方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及復(fù)雜空間目標(biāo)光散射建模方法，屬于航天空間目標(biāo)建模技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
空間目標(biāo)的光學(xué)特性分析，是目標(biāo)的光學(xué)探測、識別的前提，空間目標(biāo)光散射特性 是光學(xué)特性的重要內(nèi)容，正受到越來越多的關(guān)注。很多學(xué)者在這方面開展了大量研究工作， 綜合起來，其方法集中在以下兩個方面一是將空間目標(biāo)看成由幾種典型形狀的漫反射朗 伯表面，根據(jù)輻射理論和朗伯余弦定律，計算其在空間的光照度；二是利用實(shí)際測量的材料 樣片精確的雙向反射分布函數(shù)(BRDF)，基于物理模型的方法來計算目標(biāo)的光散射特性。第 一種方法模型簡單，計算結(jié)果與實(shí)際情況相差較大，只能用于光散射特性的估算；第二種方 法可以精確計算材料的光散射特性，但獲取、表示與計算的復(fù)雜性，限制了其在工程領(lǐng)域的 應(yīng)用。已有的研究工作，大多都將空間目標(biāo)假設(shè)成簡單形狀，而對于具有復(fù)雜幾何形體的空 間目標(biāo)的光散射的計算，都沒有提出很好的解決方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種復(fù)雜空間目標(biāo)光散射建模方法，以解決現(xiàn)有復(fù)雜空間目 標(biāo)建模方法精確度與計算復(fù)雜性矛盾的問題。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的復(fù)雜空間目標(biāo)光散射建模方法的步驟如下
(1)根據(jù)材料的綜合光散射強(qiáng)度，建立材料光散射經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停?br> (2)采用平行投影變換獲得空間目標(biāo)的入射截面，并判斷選出有效入射截面；
(3)根據(jù)材料光散射經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停y(tǒng)計繪制的有效入射截面上像素的反射率均值得到平 均反射率P ；
(4)根據(jù)有效入射截面像素總個數(shù)與繪制窗口的面積比例關(guān)系，求得有效入射截面面 積I;
(5)建立復(fù)雜空間目標(biāo)光散射模型P=式中I13為太陽在空間目標(biāo)處的照度；^ 為有效入射截面的面積；P為截面上的平均反射率。進(jìn)一步的，所述步驟(1)中材料的綜合光散射強(qiáng)度為漫反射分量和鏡面反射總和， 表示為f-l^ljeosS+ficc^a,其中&為物體的漫反射系數(shù)，與物體表面性質(zhì)有關(guān)J1
是光源的光強(qiáng)；$為光線入射角；為物體的鏡面反射系數(shù)，^為視線與反射方向的夾角。進(jìn)一步的，所述步驟(1)中材料光散射經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑?
其中/%為綜合反射率，是當(dāng)光線以■角入射到某材 料表面上時,在Of方向上的反射光強(qiáng)與入射光強(qiáng)之比。進(jìn)一步的，所述步驟(2)中空間目標(biāo)入射截面的獲得是在OpenGL中，利用 函數(shù)810汁1!0(1，1~，133，11，《完成平行投影變換，函數(shù)參數(shù)為平行投影的左右、上下
4和遠(yuǎn)近裁剪面，用這些參數(shù)計算投影區(qū)域的實(shí)際面積
再用函數(shù) glViewport(x, y, w, h)將投影變換后的左邊變換到屏幕像素坐標(biāo)，參數(shù)(x，y)為視口左下 角坐標(biāo)，(w，h)為窗口大小，取x=y=0，則整個顯示窗口的像素總數(shù)為 進(jìn)一步的，所述步驟(2)，在繪制入射截面時，在GPU片元著色器中，進(jìn)行有效截面 判斷，剔除不滿足判斷條件的截面點(diǎn)；對滿足有效截面條件的點(diǎn)，根據(jù)材料的材質(zhì)屬性，在 GPU著色器中對每一個像素代表的截面元反射率經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行計算，形成反射率分布圖。進(jìn)一步的，所述有效截面是在入射截面中能反射光線到觀測方向的部分，當(dāng)光源 方向L與觀測方向V確定時，當(dāng)面元dA的法線N滿足于L和V的夾角都小于90度時，該 面被光線照射，并且能反射光線到觀測設(shè)備，該有效截面的判斷條件用向量內(nèi)積表示為進(jìn)一步的，所述反射率分布圖由空間目標(biāo)有效入射截面上每一個像素的反射率 構(gòu)成的二維圖像，用模型數(shù)據(jù)中的漫反射與鏡面反射參數(shù)為每一個三角形的材質(zhì)賦值，在 OpenGL片元著色器中根據(jù)光源屬性、材質(zhì)屬性以及幾何關(guān)系，利用式
完成對入射截面上每一個像素反射率的計算，模型繪
制完畢后，就構(gòu)成了整個空間目標(biāo)的反射率分布圖。進(jìn)一步的，所述步驟(3)中平均反射率P是將反射率分布圖上每一個像素的反射 率求和，并除以有效像素總數(shù)得到。進(jìn)一步的，所述步驟(4)中有效入射截面面積S的計算公式如下
其中有效像素總數(shù)為 本發(fā)明的方法在考慮了材料非相干散射特性和相干散射特性的基礎(chǔ)上，根據(jù)光線 實(shí)際傳播特性，提出了一種復(fù)雜空間目標(biāo)光散射建模方法，將三維空間的復(fù)雜計算投影到 二維平面，并利用計算機(jī)圖形學(xué)理論實(shí)現(xiàn)了有效入射截面和截面平均反射率的快速確定， 較好的解決了復(fù)雜空間目標(biāo)的光散射計算問題。本發(fā)明所建立的材料光散射經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ捅葐渭儾捎寐瓷淠Ｐ蛠肀硎究臻g目標(biāo)材 料更具有合理性，其中，漫反射系數(shù)鏡面反射系數(shù)^、鏡面反射指數(shù)Λ與材料本身特性 有關(guān)，可以用這三個參數(shù)近似表達(dá)材料的光散射特性，并且相對于基于物理模型的BRDF方 法，在效果接近的情況下，簡化了表示與計算的復(fù)雜性，使其更加靈活方便。所述P為有效截面上每一個(IS對應(yīng)的目標(biāo)表面微元dl的反射率的均值，由于II 標(biāo)具有復(fù)雜的構(gòu)型，入射截面上的一個微元ds可能是多個II標(biāo)表面微面元M的投影，而 不同由于材料不同，反射率As也不同，這為dS的反射率1%的確定造成了困難，考察光 的傳播過程發(fā)現(xiàn)，當(dāng)一條光線入射到空間目標(biāo)表面時，在光線傳播方向上第一個與光線相 交的面為受曬面，其后的面都會由于遮擋產(chǎn)生陰影，即對于一條入射光線，只有距離光源最 近的面才對反射能量有貢獻(xiàn)，因此本發(fā)明dil取距離光源最近的面元，既確定了 dS的反射 率A^又有效防止了被遮擋的陰影部分參與計算。


圖1是本發(fā)明的復(fù)雜空間目標(biāo)光散射建模流程圖； 圖2是入射、反射、視線方向示意圖3是鏡面反射曲線圖； 圖4是Qiuckbird-2衛(wèi)星幾何外形結(jié)構(gòu)圖； 圖5是觀測條件曲線圖； 圖6 (a)是總?cè)肷浣孛鎴D； 圖6(b)是有效入射截面圖； 圖7是有效入射截面與總?cè)肷浣孛姹容^圖； 圖8是目標(biāo)反射率圖； 圖9是目標(biāo)平均反射率變化曲線圖； 圖10是反射光通量變化曲線圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的復(fù)雜空間目標(biāo)光散射建模方法實(shí)施例的流程圖如圖1所示，步驟如下
(1)根據(jù)材料的綜合光散射強(qiáng)度，建立材料光散射經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停?br> (2)采用平行投影變換獲得空間目標(biāo)的入射截面，并判斷選出有效入射截面；
(3)根據(jù)材料光散射經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，統(tǒng)計繪制的有效入射截面上像素的反射率均值得到平 均反射率-；
(4)根據(jù)有效入射截面像素總個數(shù)與繪制窗口的面積比例關(guān)系，求得有效入射截面面 積I;
(5)建立復(fù)雜空間目標(biāo)光散射模型P=式中Ici為太陽在空間目標(biāo)處的照度 ’S
為有效入射截面的面積為截面上的平均反射率。1材料光散射經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?br> 無論是空間目標(biāo)主體包覆材料還是太陽能板的光散射一般均存在非相干散射分量(又 稱漫反射)和相干散射分量(又稱鏡面反射)。因此，要實(shí)現(xiàn)空間目標(biāo)光散射特性的精確計 算，必須建立空間目標(biāo)表面材料的漫反射與鏡面反射特性模型。由于光線滿足疊加性，因 此，在假設(shè)目標(biāo)表面的散射特性與波長無關(guān)的前提下，將漫反射光與鏡面反射光分別考慮。1. 1漫反射模型
當(dāng)入射光從一個完全不光滑的表面向所有方向等量散射時出現(xiàn)漫反射現(xiàn)象。假設(shè)材料 中漫反射光的空間分布是均勻的，根據(jù)Lambert余弦定律，反射光強(qiáng)與入射角的余弦成正
比。因此，反射光強(qiáng)Ij可以表示為Ii = IlIiWS鄉(xiāng)，式中Ι。為物體的漫反射系數(shù)，與物體表
面性質(zhì)有關(guān)。i|是光源的光強(qiáng)。沒為光線入射角，如圖2所示。1.2鏡面反射模型
對于材料的鏡面反射模型，學(xué)者們提出了基于物理的鏡面反射模型(如BRDF)和基于 經(jīng)驗(yàn)的鏡面反射模型，由于基于物理的模型計算復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)難度大，且通過調(diào)整經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?的參數(shù)，可獲得比基于物理的模型更好的效果。本發(fā)明采用經(jīng)驗(yàn)鏡面反射模型，可表示為 Ij = K5I1 cos1 S,式中&為物體的鏡面反射系數(shù)，■為視線與反射方向的夾角，如圖2所示。
6COi Λ為經(jīng)驗(yàn)鏡面反射模型，描述了鏡面反射光的空間分布。參數(shù)| 為材料鏡丨ill反射指數(shù)， 控制了鏡面的光滑程度。如圖3所示，當(dāng)■越大，曲線越陡，表示反射光越集中在反射方向附 近，說明表面越光滑。1.3材料光散射經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?br> 材料的光散射強(qiáng)度為漫反射分量和鏡面反射總和。表示為
定義綜合反射率P-為當(dāng)光線以-角入射到某材料表面上時，在■方向上的反射光強(qiáng)與入射
光強(qiáng)之比，即
‘該式為材料光散射經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀Ｆ渲?，f是漫
反射系數(shù)，；為鏡面反射系數(shù)，^是鏡面反射指數(shù)。材料光散射經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头从沉瞬牧系姆窍?br> 干散射特性和相干散射特性，為了保證能量守恒要求Iif+Ij <1,該模型比單純采用漫反
射模型[2]來表示空間目標(biāo)材料更具有合理性。其中，漫反射系數(shù)&、鏡面反射系數(shù)；、鏡 面反射指數(shù)·與材料本身特性有關(guān)，即在經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷幕A(chǔ)上，可以用這三個參數(shù)近似表達(dá) 材料的光散射特性，相對于基于物理模型的BRDF方法，在效果接近的情況下，簡化了表示 與計算的復(fù)雜性，使其更加靈活方便。2復(fù)雜空間目標(biāo)光散射模型
假設(shè)太陽在空間目標(biāo)處產(chǎn)生的光照度為則入射截面上的面元對于空 間Ii標(biāo)表面面元為(!▲)，則該面元接收的光通量為= ^iS,當(dāng)入射光經(jīng)過截面為dS 對應(yīng)的表面■后反射，根據(jù)材料的光散射經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，其反射光通量為i3=PsI^dS,空
間目標(biāo)總反射通量為入射截面元反射通量在整個截面上的積分，表示
其離散形式為P =當(dāng)取截面面元‘為常數(shù)時，令上式可表示成
令截面平均反射率產(chǎn)則反射光通量p為，
P=Pi1l^,該式即為推導(dǎo)的基于截面積分的復(fù)雜空間目標(biāo)光散射模型，式中&為太陽在空
間目標(biāo)處的照度，為已知量；為有效入射截面的面積；夕為截面上的平均反射率。2. 1有效入射截面確定
對于無窮遠(yuǎn)處的點(diǎn)光源，光線可以看成平行光，整個空間目標(biāo)在入射光線垂直的截面 上的平行投影可以看成是空間目標(biāo)的入射截面。但并非所有照射到目標(biāo)表面的光線都能反 射到在某一觀測方向上的觀測設(shè)備中。因此，定義在入射截面中能反射光線到觀測方向的 部分為有效入射截面。當(dāng)光源方向:L與觀測方向Ir確定時，只有當(dāng)面元di的法線M滿足與L·和Vr的夾 角都小于90度時，該面才能被光線照射，并且能反射光線到觀測設(shè)備。該判斷條件用向量
內(nèi)積可表示為
可以判斷空間目標(biāo)表面微面元.，對應(yīng)的截面是否為有效入
射截面。 2. 2 P的確定與陰影影響的消除平均反射率P為有效截面上每一個dS對應(yīng)的目標(biāo)表面微元M的反射率的均值。但是 由于目標(biāo)具有復(fù)雜的構(gòu)型，入射截面上的一個微元(IS可能是多個目標(biāo)表面微面元di的投 影。而不同dA由于材料不同，反射率As也不同，這為dS的反射率As的確定造成了困難?？疾旃獾膫鞑ミ^程可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)一條光線入射到空間目標(biāo)表面時，在光線傳播方 向上第一個與光線相交的面為受曬面，其后的面都會由于遮擋產(chǎn)生陰影，即對于一條入射 光線，只有距離光源最近的面才對反射能量有貢獻(xiàn)，因此，M應(yīng)取距離光源最近的面元。采
取這種策略，既確定了 ds的反射率As,又有效防止了被遮擋的陰影部分參與計算。3模型實(shí)現(xiàn)
為了最終得到復(fù)雜空間目標(biāo)模型在某個觀察方向的反射光通量，關(guān)鍵在于求得復(fù)雜空 間目標(biāo)的有效入射截面面積^和平均反射率P。但由于空間目標(biāo)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，建立空間目標(biāo) 幾何外形的解析數(shù)學(xué)模型幾乎是不可能的，因此，利用解析的方法無法實(shí)現(xiàn)5*和P的計算。 然而，利用計算機(jī)圖形學(xué)的原理與方法，可以方便的求得這兩個參數(shù)。實(shí)現(xiàn)的基本原理是首先根據(jù)材料的綜合光散射強(qiáng)度，建立材料光散射模型，采用 平行投影方法獲得空間目標(biāo)的入射截面，并判斷選出有效入射截面，再求得平均反射率和 有效入射截面面積，最后建立復(fù)雜空間目標(biāo)光散射模型。在繪制入射截面時，在GPU片元著 色器中，進(jìn)行有效截面判斷，剔除不滿足的截面點(diǎn)。對滿足有效截面條件的點(diǎn)，根據(jù)材料的 材質(zhì)屬性，在GPU著色器中實(shí)現(xiàn)對每一個像素代表的截面元反射率經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷挠嬎?，形?反射率圖。通過統(tǒng)計繪制的有效入射截面上像素的反射率均值得到P。根據(jù)有效入射截面 像素總個數(shù)與繪制窗口的面積比例關(guān)系，得到有效入射截面面積。具體實(shí)現(xiàn)方法與步驟 如下(以O(shè)penGL為例)。1)空間目標(biāo)幾何與材料特性建模
利用3DSMax等建模工具，可以構(gòu)建復(fù)雜空間目標(biāo)的三維精細(xì)幾何外形，并且還可以 為每一種材料設(shè)置漫反射和鏡面反射參數(shù)。計算機(jī)圖形學(xué)中，采用紅綠藍(lán)(RGB)三個分量 來表示可見光光譜的顏色。材質(zhì)的表示也采用RGB三個分量。因此，可以將漫反射材質(zhì)RGB
分量設(shè)置為(I;,IjfIj),鏡面反射材質(zhì)設(shè)置為(2^3,Z3,;),再設(shè)置鏡面反射指數(shù) 后， 完成面元的材料屬性設(shè)置。對于空間目標(biāo)上具有相同材料的表面，可以設(shè)置成統(tǒng)一的材質(zhì) 屬性。空間目標(biāo)上每一類材料設(shè)置完材質(zhì)屬性后，就建立具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的空間目標(biāo)幾何與 材料特性的三維模型。2)平行投影變換
在OpenGL中，利用函數(shù)
完成平行投影變換。函數(shù)參數(shù)為 平行投影的左右、上下和遠(yuǎn)近裁剪面，利用這些參數(shù)來計算投影區(qū)域的實(shí)際面積Sfafrf,3)視口變換
視口變換將投影變換后的坐標(biāo)變換到屏幕像素坐標(biāo)。利用函數(shù)
實(shí) 現(xiàn)，參數(shù)(xj)為視口左下角坐標(biāo)，(WJ)窗口大小(單位為像素〉。通常取x = j = 0。整個
顯示窗口的像素總數(shù)為4)三維繪制
a)有效截面圖的繪制
為了獲得空間目標(biāo)在入射光線垂直的截面上的垂直投影圖像，需要在OpenGL中將視 線方向設(shè)置為入射光方向；同時，為方便GPU進(jìn)行有效截面的判斷，將光源方向設(shè)置為原來 探測器觀察方向。利用基于GPU的編程技術(shù)，在片元著色器中實(shí)現(xiàn)對空間目標(biāo)三維模型的 每一個要繪制的像元進(jìn)行條件(11)的判斷，并將滿足條件的像元繪制為黑色，將不滿足條 件的像元繪制成背景顏色(白色)，最終形成有效入射截面圖像。b)反射率分布圖的繪制
由空間目標(biāo)有效入射截面上每一個像素的反射率構(gòu)成的二維圖像稱之為反射率分 布圖。要得到平均反射率分布圖，需要對有效截面上每一個像元的反射率進(jìn)行計算。在 OpenGL中，光源的漫反射光顏色和鏡面反射光顏色都設(shè)置為(1.0，1.0，1.0)，視線方 向設(shè)置為入射光方向；啟用深度測試，保證正確的遮擋關(guān)系，以消除陰影的影響。在空 間目標(biāo)三維模型繪制過程中，用模型數(shù)據(jù)中的漫反射與鏡面反射參數(shù)為每一個三角形 的材質(zhì)賦值，在OpenGL片元著色器中根據(jù)光源屬性、材質(zhì)屬性以及幾何關(guān)系，利用式
完成對入射截面上每一個像素反射率的計算。模型繪
制完畢后，就構(gòu)成了整個空間目標(biāo)的反射率分布圖。C)參數(shù)jS"與P確定
經(jīng)過上述幾個步驟后，在二維窗口上得到空間目標(biāo)的有效入射截面圖和反射率圖。由 于有效截面的獲取過程采用的是平行投影，窗口上每一個像元代表的面積相同。因此，通
過檢測有效入射截面圖上有效像素(黑色像素)，并進(jìn)行累加得到有效像素總數(shù)為 《I, ilWfil乘以每個象素代表的實(shí)際面積，就得到復(fù)雜空間目標(biāo)的有效入射截面面積，表示為
滅和啕，將反射率分布圖上每一個像素的
反射率求和，并除以,_ !，就可以得到平均反射率P。4仿真試驗(yàn) 4. 1試驗(yàn)數(shù)據(jù)
為了驗(yàn)證本文提出的計算復(fù)雜空間目標(biāo)光散射特性的方法的有效性和實(shí)際效果，以 Quickbird-2衛(wèi)星為空間目標(biāo)，以某模擬衛(wèi)星Sat-I為觀測衛(wèi)星進(jìn)行試驗(yàn)，軌道根數(shù)如表1。 QuickBird-2為對地觀測衛(wèi)星，姿態(tài)為對地指向，其幾何結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，外形如圖4所示。表1衛(wèi)星軌道根數(shù)
通過軌道計算，得出起始時刻為2008-1-11 00:52:05 (UTC)，結(jié)束時刻為2008-1-11 01:50:36 (UTC)共3511秒時間段內(nèi)，Sat-I可以對Qiuckbird-2衛(wèi)星實(shí)施觀測。圖5為試 驗(yàn)時間段內(nèi)，目標(biāo)到觀測平臺的距離以及太陽方向與觀測方向的夾角隨時間變化的情況。
從圖中可以看出，太陽方向與觀測方向的夾角在(ο, δο”區(qū)間內(nèi)具有較大的跨度，利用這
個時間段內(nèi)的光照條件進(jìn)行試驗(yàn)，具有較普遍的代表性。4. 2試驗(yàn)結(jié)果
利用本發(fā)明提出的計算復(fù)雜空間目標(biāo)光散射的原理與方法，以10秒為步長，得到了各 個時刻有效入射截面圖和反射率分布圖，并統(tǒng)計了有效截面面積和平均反射率，最終計算 了反射光通量。結(jié)果如下
圖6是時間為2008-1-11 01:08:25 (距離起始時間1000秒)總?cè)肷浣孛鎴D(a)與有效 入射截面圖(b)的比較。圖7為在試驗(yàn)時間段內(nèi)有效入射截面與總?cè)肷浣孛婷娣e隨時間變 化的比較曲線。有效入射截面與衛(wèi)星的幾何形狀以及姿態(tài)都密切相關(guān)。此外，分析圖6和圖7，可 以看出，有效入射截面明顯受到太陽方向與觀測方向夾角的影響，有效入射截面總的趨勢 與太陽方向和觀測方向夾角大小的變化相反；在夾角接近180度時，有效入射截面趨于0 ； 而夾角較小時，有效截面超過12平方米，跨度范圍較大。這種變化規(guī)律與實(shí)際情況是相吻 合的。此外，通過比較有效入射截面和總?cè)肷浣孛?，發(fā)現(xiàn)通常有效入射截面要比總?cè)肷浣孛?小許多，如圖6時刻相差約3倍。因此，不進(jìn)行有效入射截面的判斷，而直接采用總?cè)肷浣?面會給反射能量的計算帶來極大的誤差。圖8為試驗(yàn)得出的2008-1-11 01 08 25時刻的反射率分布圖，顏色越深表示反射 率越低。從圖中可以看出，由于將視線方向設(shè)置在光源方向，空間目標(biāo)上光線照射不到的陰 影部分由OpenGL深度測試，被自動隱藏，不會參與平均反射率的計算。這說明采用基于有 效入射截面積分的方法，可以防止陰影產(chǎn)生干擾。圖9為目標(biāo)平均反射率隨時間變化的曲線。從圖9可以看出，在3000秒附近，平 均反射率有劇烈的抖動，是由于在該時間段內(nèi)，太陽方向與觀測方向夾角接近180度，導(dǎo)致 有效入射截面接近0，放大了測量隨機(jī)誤差。另一方面，當(dāng)太陽方向與觀測方向接近180度 時，受強(qiáng)烈太陽光線直射的影響，一般設(shè)備都無法進(jìn)行觀測。因此，這一區(qū)域的得到的數(shù)據(jù) 為無效數(shù)據(jù)，應(yīng)將其忽略。這樣，該空間目標(biāo)的平均反射率，在觀測方向大約在0. 1 0.25 之間變化。這種現(xiàn)象說明，隨著入射角和觀測角的變化，平均反射率也會發(fā)生一定的變化。
取太陽在空間目標(biāo)處的照度為太陽常數(shù)1353 將有效截面與平均反射率 代入式P = 計算每個步長的反射光通量。其隨時間變化曲線如圖10所示。由式P= P磯I可知，入射截面！和平均反射率ρ對于反射光通量的貢獻(xiàn)是相同 的。但比較圖7、圖9發(fā)現(xiàn)，有效入射截面主要影響了反射光通量總的變化趨勢。這是因?yàn)椋?在觀測時間段內(nèi)，有效入射截面積的變化要比平均反射率P劇烈得多。而有效入射截面 受光照條件影響最大。對于空間目標(biāo)的光散射特性的研究，大多數(shù)學(xué)者都將目標(biāo)當(dāng)作簡單的幾何體。而 本發(fā)明在根據(jù)材料的非相干散射特性和相干散射特性得出的光散射經(jīng)驗(yàn)公式的基礎(chǔ)上，建 立了復(fù)雜空間目標(biāo)在有效入射截面上利用截面積和平均反射率表示的光散射模型，并且給 出了基于計算機(jī)圖形學(xué)精確獲得有效入射截面與平均反射率的方法。最后，計算了在一 段可觀測時間內(nèi)Quickbird-2衛(wèi)星天基觀測的有效入射截面、平均反射率以及反射光通量寸。
權(quán)利要求
一種復(fù)雜空間目標(biāo)光散射建模方法，其特征在于，該方法的步驟如下(1)根據(jù)材料的綜合光散射強(qiáng)度，建立材料光散射經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停?2)采用平行投影變換獲得空間目標(biāo)的入射截面，并判斷選出有效入射截面；(3)根據(jù)材料光散射經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停y(tǒng)計繪制的有效入射截面上像素的反射率均值得到平均反射率；(4)根據(jù)有效入射截面像素總個數(shù)與繪制窗口的面積比例關(guān)系，求得有效入射截面面積；(5)建立復(fù)雜空間目標(biāo)光散射模型，式中為太陽在空間目標(biāo)處的照度；為有效入射截面的面積；為截面上的平均反射率。764900dest_path_image002.jpg,769765dest_path_image004.jpg,207700dest_path_image006.jpg,893896dest_path_image008.jpg,664668dest_path_image004.jpg,dest_path_image009.jpg
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)雜空間目標(biāo)光散射建模方法，其特征在于，所述步驟(1) 中材料的綜合光散射強(qiáng)度為漫反射分量和鏡面反射總和，表示為/ = ，其中^^為物體的漫反射系數(shù)，與物體表面性質(zhì)有關(guān)；i|是光源的光強(qiáng)為光線入射角&為物體的鏡面反射系數(shù)，Oi為視線與反射方向的夾角。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的復(fù)雜空間目標(biāo)光散射建模方法，其特征在于所述步驟(1)中 材料光散射經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑?,其中/%為綜合反射率，是當(dāng)光線以■角入射到某材料表面上時,在Oi方向上的反射光強(qiáng)與入射光強(qiáng)之比。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的復(fù)雜空間目標(biāo)光散射建模方法，其特征在于所述步驟(2)中 空間目標(biāo)入射截面的獲得是在OpenGL中，利用函數(shù)gl0rthO(l，r, b, t, η, f)完成平行投影 變換，函數(shù)參數(shù)為平行投影的左右、上下和遠(yuǎn)近裁剪面，用這些參數(shù)計算投影區(qū)域的實(shí)際面 積= (r^)M""1),再用函數(shù)g1ViewPort(x，y，w，h)將投影變換后的左邊變換到屏幕 像素坐標(biāo)，參數(shù)(X，y )為視口左下角坐標(biāo)，(w，h )為窗口大小，取x=y=0，則整個顯示窗口的 像素總數(shù)為
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的復(fù)雜空間目標(biāo)光散射建模方法，其特征在于所述步驟(2)， 在繪制入射截面時，在GPU片元著色器中，進(jìn)行有效截面判斷，剔除不滿足判斷條件的截面 點(diǎn)；對滿足有效截面條件的點(diǎn)，根據(jù)材料的材質(zhì)屬性，在GPU著色器中對每一個像素代表的 截面元反射率經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行計算，形成反射率分布圖。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的復(fù)雜空間目標(biāo)光散射建模方法，其特征在于所述有效截面 是在入射截面中能反射光線到觀測方向的部分，當(dāng)光源方向L與觀測方向V確定時，當(dāng)面元 dA的法線N滿足于L和V的夾角都小于90度時，該面被光線照射，并且能反射光線到觀測
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的復(fù)雜空間目標(biāo)光散射建模方法，其特征在于所述反射率分 布圖由空間目標(biāo)有效入射截面上每一個像素的反射率構(gòu)成的二維圖像，用模型數(shù)據(jù)中的漫 反射與鏡面反射參數(shù)為每一個三角形的材質(zhì)賦值，在OpenGL片元著色器中根據(jù)光源屬性、材質(zhì)屬性以及幾何關(guān)系，利用式Pis = III1 = Ki CosW5 cos* α,完成對入射截面上每一個設(shè)備，該有效截面的判斷條件用向量內(nèi)積表示為像素反射率的計算，模型繪制完畢后，就構(gòu)成了整個空間目標(biāo)的反射率分布圖。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的復(fù)雜空間目標(biāo)光散射建模方法，其特征在于所述步驟(3)中平均反射率P是將反射率分布圖上每一個像素的反射率求和，并除以有效像素總數(shù)Ml^frf 得到。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的復(fù)雜空間目標(biāo)光散射建模方法，其 特征在于，所述步驟(4)中有效入射截面面積^的計算公式如下 i 其中有效像素總數(shù)為 JVib^
全文摘要
本發(fā)明涉及復(fù)雜空間目標(biāo)光散射建模方法，屬于航天空間目標(biāo)建模技術(shù)領(lǐng)域，本發(fā)明首先根據(jù)材料的綜合光散射強(qiáng)度，建立材料光散射經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?；采用平行投影變換獲得空間目標(biāo)的入射截面，并判斷選出有效入射截面；根據(jù)材料光散射經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，統(tǒng)計繪制的有效入射截面上像素的反射率均值得到平均反射率；根據(jù)有效入射截面像素總個數(shù)與繪制窗口的面積比例關(guān)系，求得有效入射截面面積；建立復(fù)雜空間目標(biāo)光散射模型；本發(fā)明在考慮了材料非相干散射特性和相干散射特性的基礎(chǔ)上，根據(jù)光線實(shí)際傳播特性，將三維空間的復(fù)雜計算投影到二維平面，并利用計算機(jī)圖形學(xué)理論實(shí)現(xiàn)了有效入射截面和截面平均反射率的快速確定，較好的解決了復(fù)雜空間目標(biāo)的光散射計算問題。
文檔編號G01J1/00GK101901302SQ201010228868
公開日2010年12月1日 申請日期2010年7月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月16日
發(fā)明者何鈺, 周楊, 孫偉, 張衡, 徐青, 施群山, 李建勝, 王棟, 藍(lán)朝楨, 邢帥, 靳國旺, 馬東洋 申請人:中國人民解放軍信息工程大學(xué)