[发明专利]利用调制平移变换的Harvey散射模型进行散射光线追迹的方法

说明书

本发明公开了一种利用调制平移变换的Harvey散射模型进行散射光线追迹的方法，首先根据入射光线方向确定抽样区域调制参数，之后将描述Harvey散射模型的双向反射分布函数BRDF改写为积分存在解析解的调制函数，在此基础上构造散射光线追迹概率模型对天顶角与方位角进行模拟采样，将采样点坐标转换为二次方向余弦坐标系中的坐标后作平移变化，通过限制条件筛选出有效样本，最终确定散射光线方向余弦。散射光线能量可通过BRDF、散射光线数量与入射光线能量求解。本发明通过抽样区域调制参数将BRDF改写为积分存在解析解的调制函数，解决了难以构建散射光线追迹概率模型的问题，同时避免了坐标平移导致的能量损失，最终可以实现Harvey散射模型散射光线追迹。

技术领域

本发明涉及杂散辐射领域，具体涉及一种利用调制平移变换的Harvey散射模型进行散射光线追迹的方法。

背景技术

J.E.Harvey在博士论文中提到若用方向余弦变量替代双向反射分布函数(BRDF)中的角度变量，则BRDF的值与入射光线方向无关，即散射分布具有平移不变性。Harvey散射模型作为一种经典BRDF模型，可用于精确描述粗糙度小于波长的表面散射特征，如今广泛应用于光学透镜这类光滑表面建模。在光学仿真中，实现基于BRDF模型进行散射光线追迹的核心是确定散射光线方向余弦与能量，原理是将BRDF分布转换为概率分布，通过构造概率模型利用蒙特卡洛法模拟抽样得到散射光线方向余弦。通过BRDF、散射光线数量与入射光线能量求解散射光线能量。综上可知，合理构造散射光线追迹概率模型是实现精准散射光线追迹的关键。

中国专利《基于BRDF实测数据的材质高真实感渲染算法》(CN201210586753.6)中通过采集材质的实测数据来拟合材质的渲染模型，然后随机离散化方向采集环境光，最终通过渲染模型进行散射光线追迹实现材质的渲染。文中Cook-Torrance模型建模方案涉及到将BRDF参数取近似以及求函数积分的解析解和反函数，考虑到取近似的方法会对散射光线追迹结果造成误差，而且直接对Harvey模型的BRDF积分不存在解析解，导致后续无法求解反函数，最终无法构造散射光线追迹概率模型。

哈尔滨工业大学程小浩在学位论文《含镀膜窗口的红外探测系统内杂散辐射传输特性研究》中提到蒙特卡洛法求解杂散辐射的基础是对每个能量传输过程建立相应的概率模型，然后模拟抽样确定散射光线方向。文中散射光线的天顶角θ_s1的概率模型为积分隐函数形式，这将导致模拟抽样存在困难，最终难以求解散射光线坐标中θ_s1分量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用调制平移变换的Harvey散射模型进行散射光线追迹的方法，在散射表面属性建模及杂散光分析领域具有重要作用。

实现本发明的技术解决方案为：一种利用调制平移变换的Harvey散射模型进行散射光线追迹的方法，步骤如下：

步骤1、设定Harvey散射模型中的截距b₀、肩角l、斜率s，并确定入射光线能量E_in、入射光线的天顶角θ_i与方位角以及散射光线数量n，转入步骤2。

步骤2、根据θ_i与计算抽样区域调制参数r，转入步骤3。

步骤3、通过r将双向反射分布函数BRDF改写为调制函数P，在此基础上构造累积分布函数，进而得到散射光线方向上的概率其中，θ_s1为散射光线的天顶角，为散射光线的方位角，转入步骤4。

步骤4、由于中θ_s1与相互独立，将改写为其中，p₁(θ_s1)为θ_s1处的概率，为处的概率，转入步骤5。

步骤5、求p₁(θ_s1)与的反函数分别对应为θ_s1(p₁)与转入步骤6。