基于视域离散采样的水下光场仿真方法研究

We will research the question that some real-time simulation methods based on sight discrete sampling of the underwater light field in the project. we can't render light beams in the neighborhood of underwater light field only using the sampling distance information between the perspective of adjacent lights, because the condition is not sufficient without optical radiation transmission theory. But the optical radiation transfer is disturbed by some factors including ocean currents and seawater TSD features (temperature,salinity and density ) with drift uncertainty. The transmission of optical radiation play a key role in the research project. Applicant will mainly adopt the optimal estimation theory of nonlinear uncertain system in this project, and study the following questions under uncertainty of the optical radiation transmission aiming at simulation algorithms of discrete sampling light field. (1) the underwater light field simulation models and basic algorithms in the case of known radiation transmission; (2) the real-time simulation algorithms based on the radiative transfer estimation in the influence of the radiation transmission by ocean currents, seawater TSD disturbance features; (3) the accuracy of real-time simulation models because of different radiative transfers. Through develop theoretical analysis, digital simulation and virtual light field visual simulation system, We will solve the low simulation model accuracy affected by the uncertainty of optical radiation transfer in the process of the marine environment modeling. a stable and easy to realize underwater dynamic light field simulation scheme will be established for render a large-scale of light field in the marine activities.

本项目研究基于视域离散采样的水下光场实时仿真问题。仅依靠视域内相邻光线之间的采样距离信息，在确定邻域内水下光场的光照渲染问题上，其求解条件是不充分的，需结合光辐射传输进行，而光辐射传输受洋流、海水温盐密特性等因素影响具有漂移不确定性，因此光辐射传输对本方案具有关键性的制约作用。本项目拟主要采用非线性不确定系统最优估计理论，针对光辐射传输不确定条件下的视域离散采样光场仿真算法问题进行研究，包括：(1)辐射传输已知情况下水下光场的仿真模型与基本算法；(2)辐射传输受洋流干扰、海水温盐密特性影响下，基于辐射传输估计的实时仿真算法；(3)不同辐射传输对实时仿真的影响规律研究。通过理论分析、数字仿真及光场视景仿真系统的应用测试，解决海洋环境建模过程中，受光辐射传输不确定性影响而致的仿真模型精度不高的问题，建立一种稳定易行的水下动态光场模拟方案，适应海洋活动中大规模水下动态光场实时绘制的应用需求。

针对水下光场系统建模与仿真问题，全面综合了传统光场模拟的特点，系统分析了光场的干扰因素，采用最优化方法对视觉建模累积误差进行估计，以模拟光照辐射传输的漂移特性，利用蒙特卡洛方法建立光绘制的统计模型，结合辐射传输已知和未知两种情况，研究采用基于离散采样的水下光场仿真方法。. 针对光辐射传输已知下的光场建模问题，从不同输入条件进行定性分析，对Stokes理论下的海洋光场进行推导，给出了一种通用的光场建模方法，实现了同一种单光束在水下0和48度两个方向上的光场仿真，得出明暗相间光干涉效果、能量指数级衰减、光波长越长衰减效率越小、风海波模型影响水下光辐照度和变化效率等四条结论。通过与湖试实时光场图像对比，两种效果基本一致。. 针对光辐射传输未知下的光场系统建模问题，从海水特性、洋流扰动、复合干扰等三种干扰分析。研究温盐密特性对光场的干扰，分析了光场固有能量衰减指标，确定了光子传输的吸收和散射系数，建立动态校正折射因子，基于海测数据实现了最小二乘拟合，量化了多重影响指标，推导出了整个绘制算法的精确表达式，设计了仿真算例。研究洋流扰动下的光场建模方法，结合洋流特点，给出了对流包络面瞬态定位方法，建立包络面上的光子传输折射模型，实现了洋流包络面处动态光场的渐近稳定和局部散射，给出仿真效果。研究复合干扰条件下的光场建模方法，分析多个干扰约束条件，结合非线性动态系统估计及稳定性理论，建立复合干扰下海洋光场一体化绘制模型。. 基于以上两种情况，研究多尺度干扰下的水下光场特征建模，建立多尺度干扰仿真模型，通过抽象海洋光场系统干扰集，自组合得到扰动空间矩阵，作为干扰输入加载后，得到海洋光场特征模型，仿真效果良好。. 最后，将所得到的水下光场仿真理论研究结果应用于海洋环境仿真系统中，得到了较好的模拟效果，仿真结果也验证了所提共性关键技术理论与方法的有效性和可行性，这也为海洋光场建模理论的发展和实际应用提供了新的方法和手段。