【《空间目标可见光成像方法研究案例》7700字（论文）】

空间目标可见光成像方法研究案例目录TOC\o"1-3"\h\u21550空间目标可见光成像方法研究案例 [7]。从三维空间看，一条入射光线，与物体作用后产生的反射光大部分分布在一个圆锥体内。对于公式(4-30)，当目标能被光源直接照射时，在式中加入直接光照项，完整的光照计算公式为：(4-36)式中第一项为光源直接照射，如果场景中存在除太阳外的其他光源如地球时，直接对所有光源照射的效果进行叠加即可。右侧积分项仍按照上述方法求解。求解时，要确定光线的采样区间和采样方法。对于式(4-35)和(4-36)，计算间接光照时的积分项为。积分中，通过反映了二次反射光线的分布特点。据此，本文提出如下解决方案：根据不同材料的反射分布特性曲线，确定反射集中区域，缩小计算范围，将抽样区域控制在反射光线大量集中的区域，确保每次抽样都是对二次散射贡献较大的光线采样，可以减少无用计算量，提高计算效率。1.1.1朗伯材质表面抽样光线的反射发生在空间目标表面，因此在物体表面采用局部坐标系对光线采样之后，再通过第二章介绍的方法转换到世界坐标系下即可。当光线碰撞到朗伯表面时，反射光线将会在整个半球空间内存在。因此，此时的抽样就是在如图4-13(a)所示的上部空间内发生。当在区间内均匀采样时，不需额外计算出一个符合分布情况的概率密度，可直接设，其中c为常数。根据概率学公式，有：(4-37)则可求得：(4-38)在球坐标中表示，则有。通过分离求得天顶角的边缘概率密度函数：(4-39)而后得到方位角的条件密度(4-40)由式(4-39)和(4-40)求得概率分布：(4-41)(4-42)由于概率分布函数取值为0~1，可令=，=。其中、为取值在0和1之间的随机数。由此求出每次均匀采样时和的取值：(4-43)(4-44)每次采样时，根据随机数的取值就可在半球空间内获得采样光线的位置。在直角坐标系下表示的采样方向为：(4-45)1.1.2普通粗糙材质表面抽样普通粗糙面的光学特性如图4-13(b)，反射光有较强的方向性,且其方向性受到BRDF各参数取值的显著影响。从三维空间看，一条入射光线，与物体作用后产生的反射光大部分分布在一个圆锥体内，而不是整个半球空间，且这个圆锥体是以镜反方向为中心轴。这个圆锥体的立体角取值为。因此，确定这个圆锥体的大小和范围，将对朗伯面采样时选择的半球空间缩小为能量集中的确定角度内，可以使每次抽样时提取的光线更加有效。朗伯面和理想镜面是普通材质的两种特殊情况。对于已知模型参数的表面涂抹材料，根据每种目标材料光学特性的不同，分别确定圆锥大小进而求出积分区域立体角的大小。根据材料反射特性可确定圆锥顶角。这里给出本文目标所用两种材料的BRDF参数取值，反射模型采用第二章中的五参量统计模型，各项取值如表4-1。表4-1卫星包裹材料双向反射分布函数取值部件材料硅太阳电池板0.557-261.615.420.0470.717聚酰亚胺膜0.458-51.9028.380.0771.865表4-1给出了空间目标表面所用硅太阳电池板材质和聚酰亚胺薄膜的模型参数取值，两种材料的反射分布特性曲线如图4-14和图4-15所示。图4-14硅太阳电池板的反射分布特性图4-15聚酰亚胺的反射分布特性观察硅太阳电池板和聚酰亚胺材料的反射特性曲线，横坐标为反射角度，纵坐标为的值。根据空间目标常用材料的反射分布曲线可以得出，散射光线集中在以镜面反射方向为中心的一个立体角内，因此在进行采样时，应使采样光线集中在这个以镜面反射方向为中心轴的圆锥区域内，在此空间内均匀采样，在同样的采样数量下能保持更高的精度。具体而言，硅太阳电池板的反射特性曲线在以镜面反射方向为中心10°的范围内，BRDF值衰减到了中心顶点的5%以下。因此在对硅太阳电池板材料进行二次反射光线抽样时，以镜反方向为中心，确定10°的抽样区间；聚酰亚胺薄膜的反射特性曲线在以镜面反射方向为中心15°的范围内，BRDF值衰减到了中心顶点的5%以下，同理在对聚酰亚胺膜进行二次散射抽样时，以镜反方向为中心，确定15°的抽样区间。因此，两种材料反射光线集中区域的圆锥顶角分别为=10°，=15°。进一步，顶角为的圆锥对应的立体角可由公式(4-46)得到，从而确定公式(4-35)中进行蒙特卡洛抽样时的抽样区间：