一種光學系統雜散光線梯度仿真方法及仿真系統技術方案

本申請提供的光學系統雜散光線梯度仿真方法及系統，對光線進行預處理，每條所述光線均由發出點和方向構成的線段組合而成，所述光線包含光線信息，所述光線信息包括光線梯度，追跡所述光線梯度最低的光線，并對所述最低光線的線段進行更新和收集，再將所述線段連成光線，通過GPU按照所述光線梯度由低到高遍歷追跡所有光線，直到所有最大梯度值的光線追跡完成，對光線追跡進行分析實現雜散光線梯度仿真，實現GPU加速的梯度非序列光線追跡，速度更快，處理大規模光線追跡情況下，更加節省算力資源。資源。資源。

【技術實現步驟摘要】
一種光學系統雜散光線梯度仿真方法及仿真系統


[0001]本申請涉及計算機仿真領域，特別涉及一種光學系統雜散光線梯度仿真方法及系統。

技術介紹

[0002]隨著光學系統指標需求的提高，光學系統外部雜散光仿真和分析也被廣泛的應用在各類高像質、高雜散抑制比的光學系統當中。光學系統外部雜散光仿真和分析主要通過非序列光線追跡技術，將雜散光轉化為帶有方向、能量的光線，追跡所有外部雜散光光線，并在像面處進行統計最后得到雜散光的路徑和結果。
[0003]目前，傳統的非序列光線追跡技術較多針對的是以圖形渲染為目的的光線追跡技術，且現有的非序列光線追跡直接遍歷所有光線從而完成光源到接收器的計算。以渲染方程為核心的技術以視覺效果和逼真程度為主要目的，不適用于高精度、高效分析光學系統雜散光。傳統的非序列光線遍歷追跡方法在速度上和分析能力上，受到遍歷法的影響，每條光線均需追跡完成才能進行下一條光線追跡。因此，存在著追跡過程不能打斷，追跡結果來源不易分析，追跡速度受到光線數量和能量閾值影響大的問題。

技術實現思路

[0004]鑒于此，有必要針對現有技術中存在的遍歷法非序列光線追跡技術，光線路徑分析繁復、追跡結果不易分析的缺陷提供一種路徑分析方便、計算速度快及追跡過程易控制的光學系統雜散光線梯度仿真方法及系統。
[0005]為解決上述問題，本申請采用下述技術方案：
[0006]本申請提供了一種光學系統雜散光線梯度仿真方法，包括下述步驟：
[0007]步驟S110：對光線進行預處理，每條所述光線均由發出點和方向構成的線段組合而成，所述光線包含光線信息，所述光線信息包括光線梯度；
[0008]步驟S120：追跡所述光線梯度最低的光線，并對所述最低光線的線段進行更新和收集，再將所述線段連成光線；
[0009]步驟S130：通過GPU按照所述光線梯度由低到高遍歷追跡所有光線，直到所有最大梯度值的光線追跡完成；
[0010]步驟S140：對光線追跡進行分析實現雜散光線梯度仿真。
[0011]在其中一些實施例中，在步驟S120中，對追跡所述光線梯度最低的光線，并對所述最低光線的線段進行更新和收集，再將所述線段連成光線，具體包括：
[0012]從光線梯度為0的光源光線開始追跡，所述光線梯度被用來描述光線分裂時形成子光線的次數，即每根由光源產生的光線的梯度為0，每次產生子光線時，該條子光線梯度加1。
[0013]在其中一些實施例中，在步驟S120中，對追跡所述光線梯度最低的光線，并對所述最低光線的線段進行更新和收集，再將所述線段連成光線，具體包括下述步驟：
[0014]步驟S121：索引最低光線梯度的光線；
[0015]步驟S122：獲取所述光線的相交平面，并根據所述相交平面判斷是否為接收面，若是，返回步驟S121；若否，進行下一步；
[0016]步驟S123：判斷是否進行光線分裂，若是，返回步驟S121；若否，進行下一步；
[0017]步驟S124：計算出射光線，并判斷所述出射光線是否小于能量閾值，若是，返回步驟S121；若否，進行下一步；
[0018]步驟S125：記錄當前節點；
[0019]步驟S126：判斷是否所有光線梯度索引完成，若否，返回步驟S121；若是，進行下一步。
[0020]在其中一些實施例中，在步驟S122，獲取所述光線的相交平面，并根據所述相交平面判斷是否為接收面的步驟中，具體包括：
[0021]步驟S21：構建光學系統結構模型；
[0022]步驟S22：將所述光學系統結構模型進行三角面片化；
[0023]步驟S23：將所述光學系統結構模型進行空間均勻分割，以八叉樹形式進行遞歸，直到達到最大遞歸深度，找到結構模型最大尺寸構建第一個立方體；
[0024]步驟S24：依序將所述光學系統結構模型置入未占用單位的立方體中，當未達到最大遞歸深度時，繼續對所述第一個立方體進行劃分；
[0025]步驟S25：重復上述步驟，直到達到最大遞歸深度；
[0026]步驟S26：當一條光線入射光學系統時，對八叉樹子節點的三角面片進行判斷，完成八叉樹布爾運算求交，通過不斷縮小子空間，確定到達面片得到交點；
[0027]步驟S27：獲取該表面的光學屬性。
[0028]在其中一些實施例中，在步驟S123中，判斷是否進行光線分裂的步驟中，具體包括下述步驟：
[0029]若所述光學屬性中若存在透射和反射并存時，會發生光線分裂。
[0030]在其中一些實施例中，在步驟S124中，在計算出射光線，并判斷所述出射光線是否小于能量閾值的步驟中，包括下述步驟：
[0031]步驟S41：根據所述光線到達位置的表面屬性計算所述光線的方向和能量；
[0032]步驟S42：根據所述光線的方向和能量獲取新的出射光線；
[0033]步驟S43：根據所述新的出射光線進行閾值判斷，確認該光線是否能繼續追跡，最后達到控制低量級光線傳播。
[0034]在其中一些實施例中，在步驟S41中，根據所述光線到達位置的表面屬性計算所述光線的方向和能量，具體包括下述步驟：
[0035]步驟S411：所述表面屬性包括散射屬性，所述散射屬性中光線和物體表面的交互作用可以用雙向反射分布函數BRDF來描述，其中BRDF的函數表達形式如下述公式：
[0036][0037]步驟S412：當光線到達散射表面時，根據預設表面散射數n
s
，隨機生成n
s
條光線的方向向量，并根據BRDF和總累積散射TIS分配相應光線能量值。
[0038]在其中一些實施例中，在步驟S42中，根據所述光線的方向和能量獲取新的出射光線，具體包括下述步驟：
[0039]步驟S421：若交點的表面屬性存在散射時，其中生成的散射光線為子光線；
[0040]步驟S422：若交點的表面屬性中存在透射和反射并存時，會發生光線分裂，其中，生成的光線包括主光線及子光線，每生成子光線時，會生成新的光線，此條新光線的光線路徑與主光線在當前交點前路徑相同，在交點后則需要繼續追跡，其中：所述主光線是可以被優先完成追跡的光線，所述子光線則是梯度大于所述主光線因光線分裂而生成的新光線，子光線會在主光線追跡完成后再追跡。
[0041]在其中一些實施例中，在步驟S43中，根據所述新的出射光線進行閾值判斷，確認該光線是否能繼續追跡，最后達到控制低量級光線傳播，具體包括下述步驟：
[0042]步驟S431：預先設置閾值，所述閾值包括：能量閾值、最大梯度值；
[0043]步驟S432：判斷出射光線能量是否小于能量閾值，若是，則此類光線能量過低，為不關注光線，此時該光線泯滅，不繼續追跡；若否，進行下一步；
[0044]步驟S433：判斷光線梯度是否等于最大梯度值，若是，子光線置零；若否，存儲子光線，并記錄當前節點。
[0045]在其中一些實施例中，在步本文檔來自技高網...

【技術保護點】

【技術特征摘要】
1.一種光學系統雜散光線梯度仿真方法，其特征在于，包括下述步驟：步驟S110：對光線進行預處理，每條所述光線均由發出點和方向構成的線段組合而成，所述光線包含光線信息，所述光線信息包括光線梯度；步驟S120：追跡所述光線梯度最低的光線，并對所述最低光線的線段進行更新和收集，再將所述線段連成光線；步驟S130：通過GPU按照所述光線梯度由低到高遍歷追跡所有光線，直到所有最大梯度值的光線追跡完成；步驟S140：對光線追跡進行分析實現雜散光線梯度仿真。2.如權利要求1所述的光學系統雜散光線梯度仿真方法，其特征在于，在步驟S120中，對追跡所述光線梯度最低的光線，并對所述最低光線的線段進行更新和收集，再將所述線段連成光線，具體包括：從光線梯度為0的光源光線開始追跡，所述光線梯度被用來描述光線分裂時形成子光線的次數，即每根由光源產生的光線的梯度為0，每次產生子光線時，該條子光線梯度加1。3.如權利要求1所述的光學系統雜散光線梯度仿真方法，其特征在于，在步驟S120中，對追跡所述光線梯度最低的光線，并對所述最低光線的線段進行更新和收集，再將所述線段連成光線，具體包括下述步驟：步驟S121：索引最低光線梯度的光線；步驟S122：獲取所述光線的相交平面，并根據所述相交平面判斷是否為接收面，若是，返回步驟S121；若否，進行下一步；步驟S123：判斷是否進行光線分裂，若是，返回步驟S121；若否，進行下一步；步驟S124：計算出射光線，并判斷所述出射光線是否小于能量閾值，若是，返回步驟S121；若否，進行下一步；步驟S125：記錄當前節點；步驟S126：判斷是否所有光線梯度索引完成，若否，返回步驟S121；若是，進行下一步。4.如權利要求3所述的光學系統雜散光線梯度仿真方法，其特征在于，在步驟S122，獲取所述光線的相交平面，并根據所述相交平面判斷是否為接收面的步驟中，具體包括：步驟S21：構建光學系統結構模型；步驟S22：將所述光學系統結構模型進行三角面片化；步驟S23：將所述光學系統結構模型進行空間均勻分割，以八叉樹形式進行遞歸，直到達到最大遞歸深度，找到結構模型最大尺寸構建第一個立方體；步驟S24：依序將所述光學系統結構模型置入未占用單位的立方體中，當未達到最大遞歸深度時，繼續對所述第一個立方體進行劃分；步驟S25：重復上述步驟，直到達到最大遞歸深度；步驟S26：當一條光線入射光學系統時，對八叉樹子節點的三角面片進行判斷，完成八叉樹布爾運算求交，通過不斷縮小子空間，確定到達面片得到交點；步驟S27：獲取該表面的光學屬性。5.如權利要求4所述的光學系統雜散光線梯度仿真方法，其特征在于，在步驟S123中，判斷是否進行光線分裂的步驟中，具體包括下述步驟：若所述光學屬性中若存在透射和反射并存時，會發生光線分裂。
6.如權利要求5所述的光學系統雜散光線梯度仿真方法，其特征在于，在步驟S124中，在計算出射光線，并判斷所述出射光線是否小于能量閾值的步驟中，包括下述步驟：步驟S41：根據所述光線到達位置的表面屬性計算所述光線的方向和能量；步驟S42：根據所述光線的方向和能量獲取新...

【專利技術屬性】
技術研發人員：劉銘鑫，張新，
申請(專利權)人：中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，
類型：發明
國別省市：