中国科学院南京天文光学技术研究所机构知识库

寻找系外行星并研究其起源和演化是当前天文学研究的热点，然而成像系统中的杂散光会显著降低观测的对比度和分辨率，因此减小杂散光的影响对天文观测十分重要。通过数值仿真对光学系统中的杂散光进行评估是主要方法，它建立在材质反射特性的准确模型之上。目前广泛采用双向反射分布函数（BRDF）来描述材料的反射特性，具有描述精度不高、数据量大的问题，不便于应用。本文使用半球正交函数对材料反射特性进行建模，做了以下工作：

1.  提出“模态光照明”的概念：放弃了BRDF“单一方向入射、单一方向出射”的模型，采用“半球入射、半球出射”模型，利用半球正交函数，对入射光进行编码，分析经过材料调制后的反射光特性。

2.  对材料采用模态光照明，对反射光采用半球正交函数分析，进而获得材料反射特性的二维系数谱。推导出了使用“二维系数谱”进行渲染计算的公式。

3.  计算了 MERL数据库中100种各向同性材料、UTIA数据库3种各向异性材料的“反射特性二维系数谱”。发现各向同性材料具有“同态激发”的特点。在系数谱上，各向同性材料具有同方位角频率激发的特点，这种高度选择性的激发可抽取反射特性的主要特征，对后续的存贮、渲染计算提供了便捷。

4.  研究表明“反射特性二维系数谱”不仅可以辨别各向异性材料和各向同性材料，而且可以区分漫反射材料、光泽材料和高光材料。根据“反射特性二维系数谱”，统计了上述材料的系数谱维度与反射能量占比之间的关系，估算了在不同维度下的各向同性材料“反射特性系数谱”所需的存储量。

5.  研究互补半球谐函数：互补半球谐函数在半球域内具有正交性，在半球开集域的上满足完备性。球谐函数系数可通过矩阵运算直接转化为半球谐函数的系数，为球谐光照转为被渲染片元上半球的半球谐光照提供了计算方法论文提供了一种使用半球正交函数对材料反射特性进行建模的方法，具有特征提取效率高、应用便捷的特点，有望在杂散光分析、图像渲染等方面获得应用。