光譜制造應急人造環(huán)境光學視效分析

劉江海+方科+楊俊+王文龍

摘 要：本文主要論述通過分析光譜進行人造環(huán)境的視覺效果制作的可行性，通過分析光譜制造人造環(huán)境對于未來的信息通訊技術以及媒體娛樂中應用。該技術利用比對真實地物光譜庫，并利用VC進行算法模型制作，使得所制造出來的光學視效更加與真實地物沒有區(qū)分。

關鍵詞：光譜匹配系數(shù)，四值編碼算法，光譜角度匹配

一、引言

就人造環(huán)境的概念提出來看，我們可以大致引出兩種源頭。

其一，我們今天所常見的幾種因為人類活動而導致的自然環(huán)境問題十分重大且對人類的生活有著重要的影響，例如挖空煤礦導致的山體崩塌以及地震，再比如，大量的砍伐樹木，不僅造成沙漠化嚴重，還導致大量的水土流失。這些問題都隨時影響到人類的生活甚至生命，在這種前提之下，人造環(huán)境被提上了命題。在重大的災難來臨之時，人們所創(chuàng)造的避難所均設在地下，例如核輻射，而在這種條件之下通過分析光譜與類生物機械進行結合制造的人造環(huán)境，在視覺上做到與真實自然環(huán)境別無二致便為重點。

其二，人類對于太空的探索不斷的進步。人們對于太空星球的探索以及資源的爭奪都是愈演愈烈，所提出來的論點之中有兩個極為重要，一是太空移民，一是太空資源開采。適宜人類居住的星球最重要的是哪些呢？大氣，水，除此之外的一部分環(huán)境問題我們均可以用人造環(huán)境結合類生物機械來進行處理，利用分析光譜制造應急人造環(huán)境，對于剛剛登陸開發(fā)移居星球的前幾批工作者來說是不可缺少的重點，在剛開始的惡劣環(huán)境之中可以用人造環(huán)境來改善進行星球開發(fā)的工作人員的生活環(huán)境。

二、可行性分析

1、光譜匹配系數(shù)

根據(jù)光電陰極的光譜響應特性曲線，我們可以計算出光譜響應率Sλ，將Sλ對其最大化Smax歸一化，可得相對光譜響應率為

S（λ）=Sλ/Smax——（1）

此時，光電陰極面接受的夜天光經(jīng)過景物反射后的輻射，即

ωλ= ρλPλ——（2）

其中（2）式中的ωλ為景物反射輻射光譜分布；ρλ為景物的光譜反射系數(shù)，他隨波長λ而變化；Pλ為夜天光輻射光譜分布，將景物的反射輻射光譜分布ωλ對其最大值ωmax歸一化，得到其相對光譜分布為

ω（λ）=ωλ/ωmax——（3）

由此，我們可以從關系式定義光電陰極于景物反射輻射的光譜匹配系數(shù)為

α（S，ω（λ））=∫S（λ）ω（λ）dλ/∫ω（λ））dλ——（4）

那么我們分析式（4）可以知道，光譜匹配系數(shù)其實反映的是各種光譜響應的光電陰極對不同的輻射源的光譜利用率的高低，也就是說，這個利用率越高，越能夠得到與實際物體所產(chǎn)生的光譜一樣的光譜。分析可知當α越大時，匹配越好，從而微光夜視系統(tǒng)的觀測效果也就越好，反之越差時匹配越差觀測效果也就越差，根據(jù)式子我們可以知道α的值域在（0，1），越靠近1，越與實物反射產(chǎn)生的光譜相近，即越能體現(xiàn)出輻射源與實物之間的差別之小。達到以假亂真的效果。

2、光譜匹配基本模型算法

使用計算機軟件通過算法制作光譜比較模型，通過所測物體的光譜度和已知的物體世紀光譜互相對比，來判別被測物體的種類，那么同樣，我們可以通過對比從模擬人眼的光學儀器中的兩條光譜曲線來使得目標物體在視覺上與實際地物一模一樣。

2.1四值編碼算法

首先對已知地物類別的光譜輻射至取平均值，得到閾值A，然后將光譜輻射值已A為邊界分為[Xmin，A][A，Xmax]兩個區(qū)間，在重復上步再劃分得到總共四個區(qū)間。用同樣的方法對待目標光譜曲線進行四值編碼。使用異或方法，進行目標光譜和已知光譜匹配（即有區(qū)別為1，沒區(qū)別為0），最后比較相等的個數(shù)，將目標分到波段數(shù)目相似最多的類別。

2.2光譜角度匹配

光譜角度定義為兩地物光譜矢量之間的廣義夾角余弦為相似函數(shù)，將像元N個波段的光譜響應作為N維空間中的矢量，通過計算他與最終光譜單元之間的廣義夾角來表示它的匹配程度，夾角越小匹配程度越高，二者越相似。

日本kansai電力公司研制成功了一種新型太陽能輻射模擬系統(tǒng)，它不僅能模擬太陽光，還能模擬太陽熱。這套系統(tǒng)用計算機控制等和加熱器，一邊產(chǎn)生接近自然的太陽輻射。它還配有人工的自然環(huán)境分系統(tǒng)，可模擬不同的氣象條件。系統(tǒng)由氙燈，鹵素燈和加熱器組成，模擬陽光的波長范圍從可見光（0.38到0.78微米）到紅外線（0.78到20微米），而且光譜分布和自然陽光基本一樣。

三、人造環(huán)境光學

就目前形似來看，高光譜圖像在空間以及電磁譜維度中所利用較為廣泛，尤其在遙控領域。

基于成像光譜儀在眾多窄波段獲取數(shù)據(jù)的特點，可以用已知地物類型的反射光譜，通過光譜頻率曲線或特征匹配比較以達到識別地物類型的目的。長期的高光譜實驗也收集了大量的實驗室標準數(shù)據(jù)，建立了許多地物標準光譜數(shù)據(jù)庫；那么從另一方面來說，人們可以用已知的數(shù)據(jù)偽造出與真實光譜無二的光譜已達到以假亂真的目的。

四、結束語

光譜識別技術是以物質構成的光譜唯一性為基礎， 將目標的識別以光譜信息為第一特征，利用光譜的分析來得到現(xiàn)實生活中的自然物體在不同環(huán)境時所發(fā)射的光譜，對比獲得正確的光譜，利用光電器件發(fā)射出對應的光譜。光譜識別技術的發(fā)展，包括計算機算法的發(fā)展，使得利用光譜制作更加逼真的人造環(huán)境得到可能。

參考文獻：

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[3] 尉敏.太陽輻射圈光譜模擬人工光源的實驗研究.西安建筑科技大學 20040601