一种大气程辐射传输计算与实时渲染方法技术

本发明专利技术涉及一种大气程辐射传输计算与实时渲染方法，该方法包括：建立大气程辐射传输计算物理模型；确定大气程辐射传输数据与纹理坐标之间的映射关系；根据所述大气程辐射传输计算物理模型得到预计算大气程辐射传输数据；根据所述大气程辐射传输数据与纹理坐标之间的映射关系对所述预计算大气程辐射传输数据进行渲染。本发明专利技术实施例提供了一种考虑大气米氏散射、瑞利散射、大气分子吸收作用的大气程辐射传输计算模型，计算大气红外辐射并对红外波段下大气程辐射进行渲染，克服了现有模型均不满足红外波段下的大气程辐射传输计算和渲染的缺陷。

A Method for Calculating Atmospheric Radiation Transfer and Real-time Rendering

The invention relates to an atmospheric radiation transfer calculation and real-time rendering method, which includes: establishing a physical model for atmospheric radiation transfer calculation; determining the mapping relationship between atmospheric radiation transfer data and texture coordinates; obtaining predicted atmospheric radiation transfer data according to the physical model for atmospheric radiation transfer calculation; and according to the atmospheric radiation transfer data and the texture coordinates. The mapping relationship between texture coordinates renders the predicted atmospheric range radiation transfer data. The embodiment of the invention provides a calculation model of atmospheric path radiation transmission considering the effects of atmospheric Michaelis scattering, Rayleigh scattering and atmospheric molecular absorption, calculates atmospheric infrared radiation and renders atmospheric path radiation in the infrared band, overcomes the shortcomings of the existing models that can not meet the calculation and rendering of atmospheric path radiation transmission in the infrared band.

【技术实现步骤摘要】
一种大气程辐射传输计算与实时渲染方法
本专利技术属于大气物理及计算机图形学领域，具体涉及一种大气程辐射传输计算与实时渲染方法。
技术介绍
在数字地球技术中，大气辐射传输对数字地球场景的影响非常重要。大气散射以及大气吸收对太阳辐射和地表辐射的作用不可忽视。目前，在可见光波段的大气散射渲染方法已有数种：T.Nishita等人在1993年和1996年先后提出了Nishita93模型。其中Nishita93模型仅考虑了单次散射，Nishita96模型实现两次散射，仅支持在大气层内部观测。所以不适用于太空视角下的大气效果渲染。O'Neal等人提出了可以实现任意视点下的渲染方法(“Accurateatmosphericscattering.”inGPU(GraphicsProcessingUnit，图形处理器)Gems2.AddisonWesley,2005,pp.253–268.)，由于大气计算是在渲染过程中进行的，所以随着场景复杂程度以及计算精度的提高，很难满足实时渲染的需求。法国的E.Bruneton等人和美国的O.Elek等人分别先后提出了支持任意视点、多次散射、渲染时间复杂度为O(1)的渲染方法为Bruneton模型。Bruneton模型在预计算复杂度、纹理空间复杂度、计算精度、渲染时间方面达到了相同级别。以上所述是可见光波段的大气散射渲染方法，其中，H2O、CO2、和O3等成分对光谱的吸收作用可忽略不计，而瑞利散射和米氏散射是可见光传输特性的主要因素。上述各模型均不满足红外波段下的大气程辐射传输计算和实时渲染。
技术实现思路
为了解决现有技术中存在的上述问题，本专利技术提供了一种大气程辐射传输计算与实时渲染方法。本专利技术要解决的技术问题通过以下技术方案实现：本专利技术实施例提供了一种大气程辐射传输计算与实时渲染方法，包括：建立大气程辐射传输计算物理模型；确定大气程辐射传输数据与纹理坐标之间的映射关系；根据所述大气程辐射传输计算物理模型得到预计算大气程辐射传输数据；根据所述大气程辐射传输数据与纹理坐标之间的映射关系对所述预计算大气程辐射传输数据进行渲染。在本专利技术的一个实施例中，建立大气程辐射传输计算物理模型，包括：根据太阳辐射、地表对环境辐射的反射、大气自辐射、大气对太阳辐射散射、大气对地表辐射散射建立所述大气程辐射传输计算物理模型。在本专利技术的一个实施例中，所述大气程辐射传输计算物理模型为：其中，Lλ(x,v,s)表示所述大气程辐射传输计算物理模型的输出；Lsun,λ(x,v,s)表示太阳辐射；Tλ(x,x0)I[Lλ](x0,s)表示地表对环境辐射的反射；Tλ(x,x0)Latmo,λ(x0,s)表示大气自辐射；表示大气对太阳辐射散射和大气对地表辐射散射。在本专利技术的一个实施例中，根据所述大气程辐射传输计算物理模型得到预计算大气程辐射传输数据，包括：利用Modtran获取吸收气体的第一光谱透过率；预设所述吸收气体的第一吸收截面，根据所述第一吸收截面得到所述吸收气体的第二光谱透过率；根据所述第一光谱透过率和所述第二光谱透过率得到所述吸收气体的第三光谱透过率；根据所述第三光谱透过率和第三吸收截面得到所述预计算大气程辐射传输数据。在本专利技术的一个实施例中，预设所述吸收气体的第一吸收截面，根据所述第一吸收截面得到所述吸收气体的第二光谱透过率，包括：根据预设范围预设所述吸收气体的第一吸收截面；根据所述第一吸收截面和所述光谱透过率计算公式得到所述吸收气体的第二光谱透过率。在本专利技术的一个实施例中，根据所述第一光谱透过率和所述第二光谱透过率得到所述吸收气体的第三光谱透过率，包括：根据所述第一光谱透过率和所述第二光谱透过率得到所述吸收气体的第二吸收截面；根据迭代法将所述第二吸收截面和所述第一光谱透过率进行拟合，得到所述吸收气体的第三吸收截面；根据所述第三吸收截面得到所述第三光谱透过率。在本专利技术的一个实施例中，根据所述第三光谱透过率和第三吸收截面得到所述预计算大气程辐射传输数据，包括：根据所述第三光谱透过率、所述第三吸收截面和所述大气程辐射传输计算物理模型得到所述预计算大气程辐射传输数据。在本专利技术的一个实施例中，根据所述第一光谱透过率和所述第二光谱透过率得到所述吸收气体的第二吸收截面，包括：根据二分法处理所述第一光谱透过率和所述第二光谱透过率，得到所述第二吸收截面。在本专利技术的一个实施例中，根据迭代法将所述第二吸收截面和所述第一光谱透过率进行拟合，得到所述吸收气体的第三吸收截面，包括：根据迭代法将所述第二吸收截面和所述第一光谱透过率进行拟合，以得到满足预设阈值的第三吸收截面。在本专利技术的一个实施例中，根据所述第三吸收截面得到所述第三光谱透过率，包括：根据所述第三吸收截面和所述光谱透过率计算公式得到所述吸收气体的第三光谱透过率。与现有技术相比，本专利技术的有益效果：本专利技术结合大气散射、大气吸收、大气辐射三个因素及基尔霍夫定律，建立大气物理模型，考虑了吸收气体密度分布、大气温度、大气压强对大气辐射的作用，并使用GPU进行加速计算，采用预计算方式实现了满足红外波段下的大气程辐射传输计算，提高了渲染速度，实现实时渲染。本专利技术透过率计算与Modtran计算结果有很高的吻合度，在数字地球以及其他红外场景仿真中有很大的使用价值。通过以下参考附图的详细说明，本专利技术的其它方面和特征变得明显。但是应当知道，该附图仅仅为解释的目的设计，而不是作为本专利技术的范围的限定，这是因为其应当参考附加的权利要求。还应当知道，除非另外指出，不必要依比例绘制附图，它们仅仅力图概念地说明此处描述的结构和流程。附图说明图1为本专利技术实施例提供的大气程辐射传输计算与实时渲染方法流程图；图2a为本专利技术实施例提供的大气程辐射纹理坐标映射关系图；图2b为本专利技术实施例提供的光谱透过率纹理坐标映射关系图；图3为本专利技术实施例提供的吸收气体光谱吸收截面拟合流程图；图4a～4c分别为本专利技术实施例提供的CO2的光谱透过率图、H2O的光谱透过率图、O3的光谱透过率图；图5为本专利技术实施例提供的由相机空间推导世界空间示意图；图6为本专利技术实施例提供的大气程辐射渲染效果图。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术做进一步详细的描述，但本专利技术的实施方式不限于此。请参照图1，图1为本专利技术实施例提供的大气程辐射传输计算与实时渲染方法流程图，其具体步骤如下：步骤1、建立大气程辐射传输计算物理模型。建立大气程辐射传输计算物理模型，包括：根据太阳辐射、大气对太阳辐射散射、大气自辐射、大气对地表辐射散射建立所述大气程辐射传输计算物理模型。具体地，所大气程辐射传输计算物理模型结合Bruneton大气模型，并引入CO2、H2O、O3的吸收作用和基尔霍夫定律建立大气程辐射传输模型。Bruneton大气模型由下式给出：L(x,v,s)＝(L0+R[L]+S[L])(x,v,s)(1)其中，L0为太阳辐射，R[L]为地表反射，S[L]为大气散射。光谱透过率计算公式由下式给出：为瑞利散射系数，与观测点高度和波长有关；为米氏散射系数，只与观测点高度有关；为第i种吸收气体的体积吸收截面。瑞利散射和米氏散射的散射系数和相位函数如下：其中，N表示单位体积重散射质点的数目；HR为瑞利散射厚度，HR＝8km；HM为米氏散射厚度，HM＝1.2km；为海本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种大气程辐射传输计算与实时渲染方法，其特征在于，包括：建立大气程辐射传输计算物理模型；确定大气程辐射传输数据与纹理坐标之间的映射关系；根据所述大气程辐射传输计算物理模型得到预计算大气程辐射传输数据；根据所述大气程辐射传输数据与纹理坐标之间的映射关系对所述预计算大气程辐射传输数据进行渲染。

【技术特征摘要】
1.一种大气程辐射传输计算与实时渲染方法，其特征在于，包括：建立大气程辐射传输计算物理模型；确定大气程辐射传输数据与纹理坐标之间的映射关系；根据所述大气程辐射传输计算物理模型得到预计算大气程辐射传输数据；根据所述大气程辐射传输数据与纹理坐标之间的映射关系对所述预计算大气程辐射传输数据进行渲染。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，建立大气程辐射传输计算物理模型，包括：根据太阳辐射、地表对环境辐射的反射、大气自辐射、大气对太阳辐射散射、大气对地表辐射散射建立所述大气程辐射传输计算物理模型。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述大气程辐射传输计算物理模型为：其中，Lλ(x,v,s)表示所述大气程辐射传输计算物理模型的输出；Lsun,λ(x,v,s)表示太阳辐射；Tλ(x,x0)I[Lλ](x0,s)表示地表对环境辐射的反射；Tλ(x,x0)Latmo,λ(x0,s)表示大气自辐射；表示大气对太阳辐射散射和大气对地表辐射散射。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述大气程辐射传输计算物理模型得到预计算大气程辐射传输数据，包括：利用Modtran获取吸收气体的第一光谱透过率；预设所述吸收气体的第一吸收截面，根据所述第一吸收截面得到所述吸收气体的第二光谱透过率；根据所述第一光谱透过率和所述第二光谱透过率得到所述吸收气体的第三光谱透过率；根据所述第三光谱透过率和第三吸收截面得到所述预计算大气程辐射传输数据。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，预设所述吸收气体的第一吸收截面，根据所述第一吸...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴鑫，丁国鹏，刘凯飞，程强，谢建，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61