[发明专利]一种通过成像法获取涂层双向反射分布函数仿真参数的方法

说明书

本发明为了解决技术中的BRDF测量方法不能既能满足实时仿真平台的输入参数要求，又能满足测量精度的缺陷，而提出一种通过成像法获取涂层双向反射分布函数仿真参数的方法，包括：使表面带有涂层的标准球放置在平行光源下形成阴影；通过成像设备对标准球进行多次成像，每次成像时记录成像设备、标准球和阴影之间的两两距离；根据成像设备、标准球和阴影之间的两两距离计算入射光线反方向J与出射光O的夹角的余弦；根据成像设备获取的照片计算圆心的像素位置坐标；计算J在照片平面内的方位角β；计算像圆内每个像素点的宏观法线方向Z的的方位角以及Z与O的夹角γ；最后通过解析公式进行拟合。本发明适用于半实物仿真平台的目标材质仿真。

技术领域

本发明涉及半实物仿真系统领域，具体涉及一种通过成像法获取涂层双向反射分布函数仿真参数的方法。

背景技术

目标材质仿真是诸如半实物视景仿真系统等视景类仿真的重要组成。目标材质仿真的主要工作是以计算机代码和程序来实现其BRDF(双向反射分布函数)。此类仿真系统对仿真输入参数要求不高，主要有两点原因：一是视景仿真最终的结果是以图片的形式体现而且要在增益后通过最多只有256个亮度级别的显示器以彩色或黑白方式输出，所以实际的输出亮度误差与最大可能值的比例约为0.5/255＝0.2％；二是在很多工程实践中并不要求最终输出亮度有如此高的准确性。在检验目标跟踪算法的半实物仿真系统中对位置准确性的要求超过了亮度色阶准确性要求。此时灰度可以偏差5个色阶左右而不影响系统的实际使用。这样半实物视景仿真系统对于仿真结果以及输入参数的相对误差要求约在1％左右。

作为反映材质的反射特性的通用媒介，双向反射分布函数(BRDF)描述了由任意入射方向向任意出射方向发生反射的能流分布情况，等于出射光在出射方向上的辐射亮度与入射光在入射方向上的辐射照度的比值。传统的BRDF测试仪的基本测试方法是取一小块平面待测材质置于反射点处，在暗室中调整平行的入射光源方向，然后在各个可能的出射光方向测量辐射亮度并与入射照度做比。这种方式需要缓慢转动待测材质对角度进行逐点式扫描，费时费力而且需要长期维护苛刻的实验环境。其精度较高但设备价格昂贵不利于视景类图像仿真这类对精度要求不高的工程实践。比如中国科学院安徽光学精密机械研究所在2014年研制的高精度BRDF测试解决方案的综合误差约为0.66％，明显优于半实物视景仿真误差要求。

但是半实物仿真系统往往对于软件实时性有很高的要求，仿真图像需要以很快的刷新率显示。一般的工程要求至少要在100fps以上，也就是每秒钟显示100张以上的图片。并且图片内容需要根据使用者或者待测设备的观测方向而相应改变。为满足这样的高要求，近年来甚至出现了利用硬件加速的仿真技术。在诸如虚幻四这样的实时仿真平台中，为了提高实时性，往往并不采用数值式BRDF逐点数据而是换用其参数化公式，仅用少量参数即可描述材质的反射特性。专业的BRDF测试仪的结果并不能直接用于这样的应用场景。

对于复杂粗糙表面的BRDF参数化研究一直存在，BRDF的各种解析模型被广泛用于视景仿真的各个方面。1967年，Torrance和Sparrow抽象出了微面元模型用以解释粗糙表面的反射理论，他们将BRDF的主体部分表示为菲涅尔反射率(F函数)、微面元法线分布(D函数)、几何遮蔽因子(G函数)的乘积形式，虚幻四提出的仿真参数主要有金属性、粗糙度以及谱因子。然而缺少一种测量BRDF参数的方法，能够既能满足实时仿真平台的输入要求，又能满足较高的测量精度。

因此，需要一种新的获取反射分布函数仿真参数的方法，来克服现有技术中的缺陷。

发明内容

本发明的目的是解决技术中的BRDF测量方法不能既能满足实时仿真平台的输入参数要求，又能满足测量精度的缺陷。

根据本发明的第一方面，提供了一种通过成像法获取涂层双向反射分布函数仿真参数的方法,包括测量步骤、拟合前计算步骤和拟合步骤，其中，

测量步骤包括：使表面带有涂层的标准球放置在平行光源下形成阴影；