基于舍選抽樣BRDF離散數值的散射光線追跡方法

喬文佑，高志山，袁群，朱丹，許寧晏，倫旭磊，車嘯宇

（南京理工大學 電子工程與光電技術學院，南京 210094）

0 引言

在空間相機、衛星激光通信、引力波探測等高精度空間平臺光機系統中，雜散光對系統信號的影響是不容忽視的［1-3］。光機系統的元器件是雜散光的重要來源，其表面光散射特性直接影響著系統內雜散光分布情況，針對系統元器件表面散射特性進行光線追跡和雜散光分析，是光學設計及仿真中重要的研究內容。以蒙特卡洛法（Monte Carlo Method，MCM）模擬抽樣為基礎，基于描述表面散射特性的雙向反射分布函數（Bidirectional Reflectance Distribution Function，BRDF）來進行散射光線追跡，是目前科研實驗及雜散光分析軟件的常用算法。

應用MCM 實現散射光線準確追跡的關鍵在于由BRDF 模型建立正確的散射光線追跡概率模型，常用的概率模型求解方案主要為反變換法［4］。以反變換法設計概率模型進行光線追跡的方法，主要核心內容：1）選用現有的BRDF 模型解析式對實測BRDF 數據進行擬合解析，選出合理的BRDF 模型；2）將BRDF 轉化為概率密度函數（Probability Density Function，PDF），通過求解PDF 的累積分布函數（Cumulative Distribution Function，CDF）的反函數，完成合理采樣并以此確定散射光線方向，最終實現光線追跡。然而，系統元器件表面由于其微觀形貌特點和紋理分布的特殊性，表面散射特性顯示出復雜多樣化，且伴隨加工技術創新及新材料表面的出現，商用軟件包內建的或現有的BRDF 模型或相關修正模型，可用于精確表征表面散射屬性的模型種類有限。BRDF 模型參數解析過程繁雜，存在擬合誤差，模型適用條件存在限制等問題［5-6］。……