专利名称：复杂空间目标光散射建模方法
技术领域：
本发明涉及复杂空间目标光散射建模方法，属于航天空间目标建模技术领域。
背景技术：
空间目标的光学特性分析，是目标的光学探测、识别的前提，空间目标光散射特性 是光学特性的重要内容，正受到越来越多的关注。很多学者在这方面开展了大量研究工作， 综合起来，其方法集中在以下两个方面一是将空间目标看成由几种典型形状的漫反射朗 伯表面，根据辐射理论和朗伯余弦定律，计算其在空间的光照度；二是利用实际测量的材料 样片精确的双向反射分布函数(BRDF)，基于物理模型的方法来计算目标的光散射特性。第 一种方法模型简单，计算结果与实际情况相差较大，只能用于光散射特性的估算；第二种方 法可以精确计算材料的光散射特性，但获取、表示与计算的复杂性，限制了其在工程领域的 应用。已有的研究工作，大多都将空间目标假设成简单形状，而对于具有复杂几何形体的空 间目标的光散射的计算，都没有提出很好的解决方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种复杂空间目标光散射建模方法，以解决现有复杂空间目 标建模方法精确度与计算复杂性矛盾的问题。为实现上述目的，本发明的复杂空间目标光散射建模方法的步骤如下
(1)根据材料的综合光散射强度，建立材料光散射经验模型；
(2)采用平行投影变换获得空间目标的入射截面，并判断选出有效入射截面；
(3)根据材料光散射经验模型，统计绘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)根据有效入射截面像素总个数与绘制窗口的面积比例关系，求得有效入射截面面 积I;
(5)建立复杂空间目标光散射模型P=式中I13为太阳在空间目标处的照度；^ 为有效入射截面的面积；P为截面上的平均反射率。进一步的，所述步骤(1)中材料的综合光散射强度为漫反射分量和镜面反射总和， 表示为f-l^ljeosS+ficc^a,其中&为物体的漫反射系数，与物体表面性质有关J1
是光源的光强；$为光线入射角；为物体的镜面反射系数，^为视线与反射方向的夹角。进一步的，所述步骤(1)中材料光散射经验模型为
其中/%为综合反射率，是当光线以■角入射到某材 料表面上时,在Of方向上的反射光强与入射光强之比。进一步的，所述步骤(2)中空间目标入射截面的获得是在OpenGL中，利用 函数810汁1!0(1，1~，133，11，《完成平行投影变换，函数参数为平行投影的左右、上下
4和远近裁剪面，用这些参数计算投影区域的实际面积
再用函数 glViewport(x, y, w, h)将投影变换后的左边变换到屏幕像素坐标，参数(x，y)为视口左下 角坐标，(w，h)为窗口大�。=y=0，则整个显示窗口的像素总数为 进一步的，所述步骤(2)，在绘制入射截面时，在GPU片元着色器中，进行有效截面 判断，剔除不满足判断条件的截面点；对满足有效截面条件的点，根据材料的材质属性，在 GPU着色器中对每一个像素代表的截面元反射率经验模型进行计算，形成反射率分布图。进一步的，所述有效截面是在入射截面中能反射光线到观测方向的部分，当光源 方向L与观测方向V确定时，当面元dA的法线N满足于L和V的夹角都小于90度时，该 面被光线照射，并且能反射光线到观测设备，该有效截面的判断条件用向量内积表示为进一步的，所述反射率分布图由空间目标有效入射截面上每一个像素的反射率 构成的二维图像，用模型数据中的漫反射与镜面反射参数为每一个三角形的材质赋值，在 OpenGL片元着色器中根据光源属性、材质属性以及几何关系，利用式
完成对入射截面上每一个像素反射率的计算，模型绘
制完毕后，就构成了整个空间目标的反射率分布图。进一步的，所述步骤(3)中平均反射率P是将反射率分布图上每一个像素的反射 率求和，并除以有效像素总数得到。进一步的，所述步骤(4)中有效入射截面面积S的计算公式如下
其中有效像素总数为 本发明的方法在考虑了材料非相干散射特性和相干散射特性的基础上，根据光线 实际传播特性，提出了一种复杂空间目标光散射建模方法，将三维空间的复杂计算投影到 二维平面，并利用计算机图形学理论实现了有效入射截面和截面平均反射率的快速确定， 较好的解决了复杂空间目标的光散射计算问题。本发明所建立的材料光散射经验模型比单纯采用漫反射模型来表示空间目标材 料更具有合理性，其中，漫反射系数镜面反射系数^、镜面反射指数Λ与材料本身特性 有关，可以用这三个参数近似表达材料的光散射特性，并且相对于基于物理模型的BRDF方 法，在效果接近的情况下，简化了表示与计算的复杂性，使其更加灵活方便。所述P为有效截面上每一个(IS对应的目标表面微元dl的反射率的均值，由于II 标具有复杂的构型，入射截面上的一个微元ds可能是多个II标表面微面元M的投影，而 不同由于材料不同，反射率As也不同，这为dS的反射率1%的确定造成了困难，考察光 的传播过程发现，当一条光线入射到空间目标表面时，在光线传播方向上第一个与光线相 交的面为受晒面，其后的面都会由于遮挡产生阴影，即对于一条入射光线，只有距离光源最 近的面才对反射能量有贡献，因此本发明dil取距离光源最近的面元，既确定了 dS的反射 率A^又有效防止了被遮挡的阴影部分参与计算。
图1是本发明的复杂空间目标光散射建模流程图； 图2是入射、反射、视线方向示意图3是镜面反射曲线图； 图4是Qiuckbird-2卫星几何外形结构图； 图5是观测条件曲线图； 图6 (a)是总入射截面图； 图6(b)是有效入射截面图； 图7是有效入射截面与总入射截面比较图； 图8是目标反射率图； 图9是目标平均反射率变化曲线图； 图10是反射光通量变化曲线图。
具体实施例方式本发明的复杂空间目标光散射建模方法实施例的流程图如图1所示，步骤如下
(1)根据材料的综合光散射强度，建立材料光散射经验模型；
(2)采用平行投影变换获得空间目标的入射截面，并判断选出有效入射截面；
(3)根据材料光散射经验模型，统计绘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)根据有效入射截面像素总个数与绘制窗口的面积比例关系，求得有效入射截面面 积I;
(5)建立复杂空间目标光散射模型P=式中Ici为太阳在空间目标处的照度 ’S
为有效入射截面的面积为截面上的平均反射率。1材料光散射经验模型
无论是空间目标主体包覆材料还是太阳能板的光散射一般均存在非相干散射分量(又 称漫反射)和相干散射分量(又称镜面反射)。因此，要实现空间目标光散射特性的精确计 算，必须建立空间目标表面材料的漫反射与镜面反射特性模型。由于光线满足叠加性，因 此，在假设目标表面的散射特性与波长无关的前提下，将漫反射光与镜面反射光分别考虑。1. 1漫反射模型
当入射光从一个完全不光滑的表面向所有方向等量散射时出现漫反射现象。假设材料 中漫反射光的空间分布是均勻的，根据Lambert余弦定律，反射光强与入射角的余弦成正
比。因此，反射光强Ij可以表示为Ii = IlIiWS乡，式中Ι。为物体的漫反射系数，与物体表
面性质有关。i|是光源的光强。沒为光线入射角，如图2所示。1.2镜面反射模型
对于材料的镜面反射模型，学者们提出了基于物理的镜面反射模型(如BRDF)和基于 经验的镜面反射模型，由于基于物理的模型计算复杂，实现难度大，且通过调整经验模型 的参数，可获得比基于物理的模型更好的效果。本发明采用经验镜面反射模型，可表示为 Ij = K5I1 cos1 S,式中&为物体的镜面反射系数，■为视线与反射方向的夹角，如图2所示。
6COi Λ为经验镜面反射模型，描述了镜面反射光的空间分布。参数| 为材料镜丨ill反射指数， 控制了镜面的光滑程度。如图3所示，当■越大，曲线越陡，表示反射光越集中在反射方向附 近，说明表面越光滑。1.3材料光散射经验模型
材料的光散射强度为漫反射分量和镜面反射总和。表示为
定义综合反射率P-为当光线以-角入射到某材料表面上时，在■方向上的反射光强与入射
光强之比，即
‘该式为材料光散射经验模型。其中，f是漫
反射系数，；为镜面反射系数，^是镜面反射指数。材料光散射经验模型反映了材料的非相
干散射特性和相干散射特性，为了保证能量守恒要求Iif+Ij <1,该模型比单纯采用漫反
射模型[2]来表示空间目标材料更具有合理性。其中，漫反射系数&、镜面反射系数；、镜 面反射指数·与材料本身特性有关，即在经验模型的基础上，可以用这三个参数近似表达 材料的光散射特性，相对于基于物理模型的BRDF方法，在效果接近的情况下，简化了表示 与计算的复杂性，使其更加灵活方便。2复杂空间目标光散射模型
假设太阳在空间目标处产生的光照度为则入射截面上的面元对于空 间Ii标表面面元为(!▲)，则该面元接收的光通量为= ^iS,当入射光经过截面为dS 对应的表面■后反射，根据材料的光散射经验模型，其反射光通量为i3=PsI^dS,空
间目标总反射通量为入射截面元反射通量在整个截面上的积分，表示
其离散形式为P =当取截面面元‘为常数时，令上式可表示成
令截面平均反射率产则反射光通量p为，
P=Pi1l^,该式即为推导的基于截面积分的复杂空间目标光散射模型，式中&为太阳在空
间目标处的照度，为已知量；为有效入射截面的面积；夕为截面上的平均反射率。2. 1有效入射截面确定
对于无穷远处的点光源，光线可以看成平行光，整个空间目标在入射光线垂直的截面 上的平行投影可以看成是空间目标的入射截面。但并非所有照射到目标表面的光线都能反 射到在某一观测方向上的观测设备中。因此，定义在入射截面中能反射光线到观测方向的 部分为有效入射截面。当光源方向:L与观测方向Ir确定时，只有当面元di的法线M满足与L·和Vr的夹 角都小于90度时，该面才能被光线照射，并且能反射光线到观测设备。该判断条件用向量
内积可表示为
可以判断空间目标表面微面元.，对应的截面是否为有效入
射截面。 2. 2 P的确定与阴影影响的消除平均反射率P为有效截面上每一个dS对应的目标表面微元M的反射率的均值。但是 由于目标具有复杂的构型，入射截面上的一个微元(IS可能是多个目标表面微面元di的投 影。而不同dA由于材料不同，反射率As也不同，这为dS的反射率As的确定造成了困难。考察光的传播过程可以发现，当一条光线入射到空间目标表面时，在光线传播方 向上第一个与光线相交的面为受晒面，其后的面都会由于遮挡产生阴影，即对于一条入射 光线，只有距离光源最近的面才对反射能量有贡献，因此，M应取距离光源最近的面元。采
取这种策略，既确定了 ds的反射率As,又有效防止了被遮挡的阴影部分参与计算。3模型实现
为了最终得到复杂空间目标模型在某个观察方向的反射光通量，关键在于求得复杂空 间目标的有效入射截面面积^和平均反射率P。但由于空间目标结构复杂，建立空间目标 几何外形的解析数学模型几乎是不可能的，因此，利用解析的方法无法实现5*和P的计算。 然而，利用计算机图形学的原理与方法，可以方便的求得这两个参数。实现的基本原理是首先根据材料的综合光散射强度，建立材料光散射模型，采用 平行投影方法获得空间目标的入射截面，并判断选出有效入射截面，再求得平均反射率和 有效入射截面面积，最后建立复杂空间目标光散射模型。在绘制入射截面时，在GPU片元着 色器中，进行有效截面判断，剔除不满足的截面点。对满足有效截面条件的点，根据材料的 材质属性，在GPU着色器中实现对每一个像素代表的截面元反射率经验模型的计算，形成 反射率图。通过统计绘制的有效入射截面上像素的反射率均值得到P。根据有效入射截面 像素总个数与绘制窗口的面积比例关系，得到有效入射截面面积。具体实现方法与步骤 如下(以OpenGL为例)。1)空间目标几何与材料特性建模
利用3DSMax等建模工具，可以构建复杂空间目标的三维精细几何外形，并且还可以 为每一种材料设置漫反射和镜面反射参数。计算机图形学中，采用红绿蓝(RGB)三个分量 来表示可见光光谱的颜色。材质的表示也采用RGB三个分量。因此，可以将漫反射材质RGB
分量设置为(I;,IjfIj),镜面反射材质设置为(2^3,Z3,;),再设置镜面反射指数 后， 完成面元的材料属性设置。对于空间目标上具有相同材料的表面，可以设置成统一的材质 属性。空间目标上每一类材料设置完材质属性后，就建立具有复杂结构的空间目标几何与 材料特性的三维模型。2)平行投影变换
在OpenGL中，利用函数
完成平行投影变换。函数参数为 平行投影的左右、上下和远近裁剪面，利用这些参数来计算投影区域的实际面积Sfafrf,3)视口变换
视口变换将投影变换后的坐标变换到屏幕像素坐标。利用函数
实 现，参数(xj)为视口左下角坐标，(WJ)窗口大小(单位为像素〉。通常取x = j = 0。整个
显示窗口的像素总数为4)三维绘制
a)有效截面图的绘制
为了获得空间目标在入射光线垂直的截面上的垂直投影图像，需要在OpenGL中将视 线方向设置为入射光方向；同时，为方便GPU进行有效截面的判断，将光源方向设置为原来 探测器观察方向。利用基于GPU的编程技术，在片元着色器中实现对空间目标三维模型的 每一个要绘制的像元进行条件(11)的判断，并将满足条件的像元绘制为黑色，将不满足条 件的像元绘制成背景颜色(白色)，最终形成有效入射截面图像。b)反射率分布图的绘制
由空间目标有效入射截面上每一个像素的反射率构成的二维图像称之为反射率分 布图。要得到平均反射率分布图，需要对有效截面上每一个像元的反射率进行计算。在 OpenGL中，光源的漫反射光颜色和镜面反射光颜色都设置为(1.0，1.0，1.0)，视线方 向设置为入射光方向；启用深度测试，保证正确的遮挡关系，以消除阴影的影响。在空 间目标三维模型绘制过程中，用模型数据中的漫反射与镜面反射参数为每一个三角形 的材质赋值，在OpenGL片元着色器中根据光源属性、材质属性以及几何关系，利用式
完成对入射截面上每一个像素反射率的计算。模型绘
制完毕后，就构成了整个空间目标的反射率分布图。C)参数jS"与P确定
经过上述几个步骤后，在二维窗口上得到空间目标的有效入射截面图和反射率图。由 于有效截面的获取过程采用的是平行投影，窗口上每一个像元代表的面积相同。因此，通
过检测有效入射截面图上有效像素(黑色像素)，并进行累加得到有效像素总数为 《I, ilWfil乘以每个象素代表的实际面积，就得到复杂空间目标的有效入射截面面积，表示为
滅和啕，将反射率分布图上每一个像素的
反射率求和，并除以,_ !，就可以得到平均反射率P。4仿真试验 4. 1试验数据
为了验证本文提出的计算复杂空间目标光散射特性的方法的有效性和实际效果，以 Quickbird-2卫星为空间目标，以某模拟卫星Sat-I为观测卫星进行试验，轨道根数如表1。 QuickBird-2为对地观测卫星，姿态为对地指向，其几何结构较为复杂，外形如图4所示。表1卫星轨道根数
通过轨道计算，得出起始时刻为2008-1-11 00:52:05 (UTC)，结束时刻为2008-1-11 01:50:36 (UTC)共3511秒时间段内，Sat-I可以对Qiuckbird-2卫星实施观测。图5为试 验时间段内，目标到观测平台的距离以及太阳方向与观测方向的夹角随时间变化的情况。
从图中可以看出，太阳方向与观测方向的夹角在(ο, δο”区间内具有较大的跨度，利用这
个时间段内的光照条件进行试验，具有较普遍的代表性。4. 2试验结果
利用本发明提出的计算复杂空间目标光散射的原理与方法，以10秒为步长，得到了各 个时刻有效入射截面图和反射率分布图，并统计了有效截面面积和平均反射率，最终计算 了反射光通量。结果如下
图6是时间为2008-1-11 01:08:25 (距离起始时间1000秒)总入射截面图(a)与有效 入射截面图(b)的比较。图7为在试验时间段内有效入射截面与总入射截面面积随时间变 化的比较曲线。有效入射截面与卫星的几何形状以及姿态都密切相关。此外，分析图6和图7，可 以看出，有效入射截面明显受到太阳方向与观测方向夹角的影响，有效入射截面总的趋势 与太阳方向和观测方向夹角大小的变化相反；在夹角接近180度时，有效入射截面趋于0 ； 而夹角较小时，有效截面超过12平方米，跨度范围较大。这种变化规律与实际情况是相吻 合的。此外，通过比较有效入射截面和总入射截面，发现通常有效入射截面要比总入射截面 小许多，如图6时刻相差约3倍。因此，不进行有效入射截面的判断，而直接采用总入射截 面会给反射能量的计算带来极大的误差。图8为试验得出的2008-1-11 01 08 25时刻的反射率分布图，颜色越深表示反射 率越低。从图中可以看出，由于将视线方向设置在光源方向，空间目标上光线照射不到的阴 影部分由OpenGL深度测试，被自动隐藏，不会参与平均反射率的计算。这说明采用基于有 效入射截面积分的方法，可以防止阴影产生干扰。图9为目标平均反射率随时间变化的曲线。从图9可以看出，在3000秒附近，平 均反射率有剧烈的抖动，是由于在该时间段内，太阳方向与观测方向夹角接近180度，导致 有效入射截面接近0，放大了测量随机误差。另一方面，当太阳方向与观测方向接近180度 时，受强烈太阳光线直射的影响，一般设备都无法进行观测。因此，这一区域的得到的数据 为无效数据，应将其忽略。这样，该空间目标的平均反射率，在观测方向大约在0. 1 0.25 之间变化。这种现象说明，随着入射角和观测角的变化，平均反射率也会发生一定的变化。
取太阳在空间目标处的照度为太阳常数1353 将有效截面与平均反射率 代入式P = 计算每个步长的反射光通量。其随时间变化曲线如图10所示。由式P= P矶I可知，入射截面！和平均反射率ρ对于反射光通量的贡献是相同 的。但比较图7、图9发现，有效入射截面主要影响了反射光通量总的变化趋势。这是因为， 在观测时间段内，有效入射截面积的变化要比平均反射率P剧烈得多。而有效入射截面 受光照条件影响最大。对于空间目标的光散射特性的研究，大多数学者都将目标当作简单的几何体。而 本发明在根据材料的非相干散射特性和相干散射特性得出的光散射经验公式的基础上，建 立了复杂空间目标在有效入射截面上利用截面积和平均反射率表示的光散射模型，并且给 出了基于计算机图形学精确获得有效入射截面与平均反射率的方法。最后，计算了在一 段可观测时间内Quickbird-2卫星天基观测的有效入射截面、平均反射率以及反射光通量寸。
权利要求
一种复杂空间目标光散射建模方法，其特征在于，该方法的步骤如下(1)根据材料的综合光散射强度，建立材料光散射经验模型；(2)采用平行投影变换获得空间目标的入射截面，并判断选出有效入射截面；(3)根据材料光散射经验模型，统计绘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)根据有效入射截面像素总个数与绘制窗口的面积比例关系，求得有效入射截面面积；(5)建立复杂空间目标光散射模型，式中为太阳在空间目标处的照度；为有效入射截面的面积；为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.根据权利要求1所述的复杂空间目标光散射建模方法，其特征在于，所述步骤(1) 中材料的综合光散射强度为漫反射分量和镜面反射总和，表示为/ = ，其中^^为物体的漫反射系数，与物体表面性质有关；i|是光源的光强为光线入射角&为物体的镜面反射系数，Oi为视线与反射方向的夹角。
3.根据权利要求2所述的复杂空间目标光散射建模方法，其特征在于所述步骤(1)中 材料光散射经验模型为 ,其中/%为综合反射率，是当光线以■角入射到某材料表面上时,在Oi方向上的反射光强与入射光强之比。
4.根据权利要求3所述的复杂空间目标光散射建模方法，其特征在于所述步骤(2)中 空间目标入射截面的获得是在OpenGL中，利用函数gl0rthO(l，r, b, t, η, f)完成平行投影 变换，函数参数为平行投影的左右、上下和远近裁剪面，用这些参数计算投影区域的实际面 积= (r^)M""1),再用函数g1ViewPort(x，y，w，h)将投影变换后的左边变换到屏幕 像素坐标，参数(X，y )为视口左下角坐标，(w，h )为窗口大�。=y=0，则整个显示窗口的 像素总数为
5.根据权利要求4所述的复杂空间目标光散射建模方法，其特征在于所述步骤(2)， 在绘制入射截面时，在GPU片元着色器中，进行有效截面判断，剔除不满足判断条件的截面 点；对满足有效截面条件的点，根据材料的材质属性，在GPU着色器中对每一个像素代表的 截面元反射率经验模型进行计算，形成反射率分布图。
6.根据权利要求5所述的复杂空间目标光散射建模方法，其特征在于所述有效截面 是在入射截面中能反射光线到观测方向的部分，当光源方向L与观测方向V确定时，当面元 dA的法线N满足于L和V的夹角都小于90度时，该面被光线照射，并且能反射光线到观测
7.根据权利要求6所述的复杂空间目标光散射建模方法，其特征在于所述反射率分 布图由空间目标有效入射截面上每一个像素的反射率构成的二维图像，用模型数据中的漫 反射与镜面反射参数为每一个三角形的材质赋值，在OpenGL片元着色器中根据光源属性、材质属性以及几何关系，利用式Pis = III1 = Ki CosW5 cos* α,完成对入射截面上每一个设备，该有效截面的判断条件用向量内积表示为像素反射率的计算，模型绘制完毕后，就构成了整个空间目标的反射率分布图。
8.根据权利要求7所述的复杂空间目标光散射建模方法，其特征在于所述步骤(3)中平均反射率P是将反射率分布图上每一个像素的反射率求和，并除以有效像素总数Ml^frf 得到。
9.根据权利要求8所述的复杂空间目标光散射建模方法，其 特征在于，所述步骤(4)中有效入射截面面积^的计算公式如下 i 其中有效像素总数为 JVib^
全文摘要
本发明涉及复杂空间目标光散射建模方法，属于航天空间目标建模技术领域，本发明首先根据材料的综合光散射强度，建立材料光散射经验模型；采用平行投影变换获得空间目标的入射截面，并判断选出有效入射截面；根据材料光散射经验模型，统计绘制的有效入射截面上像素的反射率均值得到平均反射率；根据有效入射截面像素总个数与绘制窗口的面积比例关系，求得有效入射截面面积；建立复杂空间目标光散射模型；本发明在考虑了材料非相干散射特性和相干散射特性的基础上，根据光线实际传播特性，将三维空间的复杂计算投影到二维平面，并利用计算机图形学理论实现了有效入射截面和截面平均反射率的快速确定，较好的解决了复杂空间目标的光散射计算问题。
文档编号G01J1/00GK101901302SQ201010228868
公开日2010年12月1日 申请日期2010年7月16日 优先权日2010年7月16日
发明者何钰, 周杨, 孙伟, 张衡, 徐青, 施群山, 李建胜, 王栋, 蓝朝桢, 邢帅, 靳国旺, 马东洋 申请人:中国人民解放军信息工程大学
专业数控铣床产品供应商
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