基于GPU编程的红外反射特性仿真方法

摘要

本发明公开了一种基于GPU编程的红外反射特性仿真方法，主要解决现P有技术存在的反射效应仿真的物理真实感不高，实时性差的不足。其实现过程是：获得后缀为DDS的太阳直射辐射纹理D、天空背景辐射纹理S、大气路径辐射纹理L和大气透过率纹理T；获得计算BRDF需要的材质参数M；利用材质参数M，根据简化的Schlick BRDF反射模型，计算不同像素点对太阳直射辐射的反射量E₁和对天空背景辐射的反射量E₂；将DDS纹理写入材质脚本的纹理单元中，生成能仿真红外反射效应的材质脚本，并通过GPU完成对材质脚本的解析和编译并载入显存中；运行这些脚本程序，实时模拟红外反射效应。本发明具有仿真真实感强、实时性高等优点，可应用于红外成像系统的研发、测试与评估。

主权项

一种基于GPU编程的红外反射特性仿真方法，包括如下步骤：(1)用大气辐射传输计算软件Atmosphere获得后缀为压缩纹理图像格式DDS的太阳直射辐射纹理D、天空背景辐射纹理S、大气路径辐射纹理L和大气透过率纹理T；(2)通过实验或测量仪器测量，获得计算BRDF需要的所有材质参数M；(3)利用材质参数M，根据简化的Schlick BRDF反射模型，计算不同角度下不同像素点对太阳直射辐射的反射量E₁：$E_1(t,v,v^{\prime },w)={\rho }_{{\lambda }_1-{\lambda }_2}D(t,v,v^{\prime },w)E_{s}v,$其中，为波段λ₁～λ₂内的波段反射率，E_s为材质表面处迎着太阳方向上太阳直射辐射的辐照度，v＝cos(θ)，v′＝cos(θ′)，t＝cos(α)，θ为太阳入射光线与材质表面法线的夹角，θ′为视点方向与材质表面法线的夹角，α为材质表面法线与半角向量的夹角，为材质表面的切向量与半角向量在平面内的投影向量的夹角，D(t,v,v′,w)为方向特征因子，其公式如下，$D(t,v,v^{\prime },w)=\frac{1-G\left(v\right)G\left(v^{\prime }\right)}{\pi }A\left(w\right)+\frac{G\left(v\right)G\left(v^{\prime }\right)}{4\mathrm{\pi v}{v}^{\prime }}Z\left(t\right)A\left(w\right),$其中，$Z\left(t\right)=\frac{r}{{(1+{\mathrm{rt}}^2-t^2)}^2},$$A\left(w\right)=\sqrt{\frac{p}{p^2-p^2{w}^2+w^2}},$$G\left(v\right)=\frac{v}{r-\mathrm{rv}+v},$$G\left(v^{\prime }\right)=\frac{v^{\prime }}{r-{\mathrm{rv}}^{\prime }+v^{\prime }},$r∈[0,1]为材质的粗糙因子，p∈[0,1]为材质的各向同性因子；(4)利用材质参数M，根据简化的Schlick BRDF反射模型，计算不同角度下不同像素点对天空背景辐射的反射量E₂：$E_2({\theta }_r,{\phi }_r)={\rho }_{{\lambda }_1-{\lambda }_2}{\int }_0^{\pi }{\int }_0^{\frac{\pi }{2}}D({\theta }_i,{\phi }_i,{\theta }_r,{\phi }_r)L_s({\theta }_i,{\phi }_i)\cos {\theta }_{i^{\prime }}\sin {\theta }_{i}d{\theta }_{i}d{\phi }_i,$其中，θ_i为天顶角，为方位角，L_s(θ_i,φ_i)为以天顶角θ_i、方位角φ_i方向观察到的天空背景辐亮度，θ_i'为天空背景小面元辐射入射光与表面法线的夹角，θ_r为被观察面法线的天顶角，φ_r为被观察面法线的方位角；(5)利用图形编程语言Cg将太阳直射辐射纹理D、天空背景辐射纹理S、大气路径辐射纹理L、大气透过率纹理T写入材质脚本的纹理单元中，在片段程序中利用太阳直射辐射的反射量E₁和天空背景辐射的反射量E₂，生成能仿真红外反射效应的材质脚本；(6)通过可编程图形处理单元GPU完成材质脚本的解析和编译并载入显存中，形成可编程图形处理单元GPU的执行代码，利用这些代码实时模拟红外反射效应。