[发明专利]一种基于光谱BRDF的空间目标可见光成像方法

摘要

本发明公开了一种基于光谱BRDF的空间目标可见光成像方法，对目标进行几何建模和面元划分，并且把不同面元赋予不同的面元编号，获得不同目标表面的光谱BRDF模型，材料表面的光散射特性，用一个光谱BRDF文件表示，对目标进行消隐判断，去除无法被照射到或者无法接收到以及被遮挡到的面元；将目标坐标系内的入射角和散射角转换到面元坐标系内；计算每个可见面元的可见光散射亮度；将每个可见面元投影到像平面，得到像平面上的可见光成像结果。本发明所得到的可见光散射亮度值更精确，可以应用于科学问题。

主权项

一种基于光谱BRDF的空间目标可见光成像方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)对目标进行几何建模和面元划分，并且把不同面元赋予不同的面元编号，每个三角形面元中除了有三个顶点信息外还有一个材料编号信息，文件分为三部分：第一行给出总面元数和总顶点数；第二部分是面元信息，每一行有五个数据，面元编号、该面元的第一个点的编号、该面元第二个点的编号、该面元第三个点的编号、该面元的材料编号；第三部分为顶点信息，每行四个数据，第一个是顶点编号，后面三个是该顶点的x，y，z坐标；(2)获得不同目标表面的光谱BRDF模型，获得不同目标表面材料的光谱BRDF，材料表面的光散射特性，用一个光谱BRDF文件表示，文件格式中，第一行为材料名称，下面每行格式相同，每行六个数，第一个是波长，后面五个分别是BRDF模型的五个参数；(3)根据入射和接收条件以及目标的几何模型文件，对目标进行消隐判断，去除无法被照射到或者无法接收到以及被遮挡到的面元；(4)利用坐标转换，将目标坐标系内的入射角和散射角转换到面元坐标系内；(5)利用目标样片的光谱BRDF，计算每个可见面元的可见光散射亮度；(6)将每个可见面元投影到像平面，得到像平面上的可见光成像结果；计算每个可见面元时，使用目标样片的光谱BRDF，目标的光谱BRDF能体现目标光学特性随波长的变化，每个可见面元散射亮度都体现可见光波段内每个波长的贡献，具体的计算方法如下：表面小面元dA上，入射光源方向为探测器的观测方向为光谱双向反射分布函数BRDF定义为沿方向出射的辐射亮度与沿方向入射到被测表面的辐照度之比，如(1)式所示：对于一个给定的小面元，当沿方向的入射照度为时，其在方向出射的光谱散射亮度为：则该面元在可见光波段内的散射亮度为：在计算面元的可见光散射亮度时，将积分转换为求和来计算：在公式(4)中为入射光源沿方向的辐射光谱照度，将其替换为不同光源可以解决不同问题，在(4)中Δλ根据需求来选择，兼顾计算精度和速度；得到每个可见面元的可见光散射亮度后，只要将其映射到成像平面，就得到目标的可见光成像；其中，公式(4)中的BRDF使用BRDF五参数模型来模拟，不同波长对应五个不同的参数值；在(5)式中，第一项表示样片表面BRDF的相干散射分量，第二项表示非相干散射分量；kr2cosα/(1+(kr2‑1)cosα)是样片表面小面元法线的分布函数，exp[b·(1‑cosγ)a]是菲涅耳反射函数的近似描述，是遮蔽函数；kb，kd，kr，a，b为待定参数：kb和kd分别反映相干和非相干散射分量的大小，与样片表面的粗糙度和反射率有关，kr反映样片表面的斜率分布，与样片表面的粗糙度和纹理分布有关；a和b反映样片表面的菲涅耳反射函数，与样片的折射率有关。