CN113138027A - 一种基于双向折射率分布函数的远红外非视域物体定位方法 - Google Patents
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- G01J2005/0077—Imaging
Abstract
本发明公开了一种基于双向折射率分布函数的远红外非视域物体定位方法，通过热成像相机捕捉被隐藏物体发出的，由漫散射中介墙面散射的远红外辐射，结合拟合得到的漫散射面的双向折射率分布函数(Bidirectional Reflectance Distribution Function BRDF)，构建物体辐射与相机测量值间的光传输矩阵，从而实现对物体大致位置的估计。本方法利用远红外辐射进行成像，无需使用额外照明光源，拓宽了非视域成像技术的使用场景。
Description
技术领域
本发明涉及计算成像技术领域，特别是涉及一种基于双向折射率分布函数的远红外非视域物体定位方法。
背景技术
随着计算光学成像技术的兴起和快速发展，出现了一种新型光学成像模式：非视域成像(Non-line-of-sight Imaging)。区别于传统成像模式，非视域成像技术可以实现对处在探测器成像视场之外(如巷道拐角；有植被、烟雾等遮挡物遮挡处；自然灾害后的废墟等)的隐藏物体进行成像，在军事反恐、医疗救援、城市交通、案件侦破等方面都有着重要的应用。
非视域成像技术关键是使用相机捕捉由漫反射中介面反射的光，间接获取被遮挡物体信息，并利用相关算法对物体进行成像。在诸多非视域成像手段中，使用可见光波段进行成像的方法需要独立的照明光源照射被隐藏物体，物体反射的光再经过中介面散射后被相机捕捉；而对于一些特殊的场景，额外的照明光源这一条件很难满足，这就大大限制住了非视域成像技术的应用空间。而利用远红外波段进行成像，便可以将物体本身视作光源，简化为单次反射问题，从而进一步扩大了非视域成像技术的应用场景。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于双向折射率分布函数的远红外非视域物体定位方法，该方法利用远红外波段进行成像，便可以将物体本身视作光源，简化为单次反射问题，从而进一步扩大了非视域成像技术的应用场景。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于双向折射率分布函数的远红外非视域物体定位方法，包括如下步骤：
步骤S1、构建第一场景，所述第一场景包括漫反射中介面，并且在所述漫反射中介面的一侧设置热成像相机，通过所述热成像相机获取所述漫反射中介面的温度T1，并且通过电子温度计测量所述第一场景的环境温度Tamb；
步骤S2、通过步骤S1获取的所述第一场景下所述漫反射中介面的温度T1和环境温度Tamb，结合斯特藩-玻尔兹曼定律，计算得到所述第一场景下所述漫反射中介面的辐射出射度E1；
步骤S3、构建第二场景，所述第二场景在所述第一场景的基础之上，在所述漫反射中介面靠近所述热成像相机的一侧设置待测物体，并且在所述待测物体和所述热成像相机之间设置遮挡物，根据斯特藩-玻尔兹曼定律，计算在所述第二场景下，漫反射中介面的辐射出射度E2；
步骤S4、根据步骤S2得到的辐射出射度E1以及步骤S3得到的辐射出射度E2计算所述待测物体实际发出的有效辐射度μobj；
步骤S5、根据所述有效辐射度μobj，结合所述漫反射中介面的双向折射率分布函数，建立积分求得所述待测物体照射所述漫反射中介面相应区域被所述热成像相机捕捉到的辐射能量；
步骤S6、采用蒙特卡洛路径追踪方法处理步骤S5建立的积分，得到所述第二场景的光传输矩阵
步骤S7、根据步骤S4得到的所述有效辐射度μobj以及所述步骤S6得到的所述光传输矩阵
估算得到所述待测物体的位置。
进一步的，在所述步骤S2中，所述第一场景下所述漫反射中介面的辐射出射度E1的表达式为：
公式(1)中，εw表示为漫反射中介面的发射率，ρ表示为为漫反射中介面的反照率，αw表示为漫反射中介面的表面吸收率，σ表示为斯特藩-玻尔兹曼常数，其取值为5.67×10- 8W/(m2·K4)，Tw表示为所述第一场景下漫反射中介面的表面温度，Tamb表达为所述第一场景下的环境温度。
进一步的，在所述步骤S3中，在所述第二场景下，漫反射中介面的辐射出射度E2的表达式为：
公式(2)中，ε0表示为待测物体的表面发射率，Tobj表示为待测物体的温度，αw表示为漫反射中介面的表面吸收率。
进一步的，在所述步骤S5中，通过基于微表面GGX分布的Cook-Torrance模型，拟合所述漫反射中介面的双向折射率分布函数，表达式为：
公式(3)中，
表示为入射光方向矢量，
表示为出射光方向矢量，
表示为漫反射中介面表面法线矢量，
表示为微观面元的法向量，
为菲涅尔函数，该函数取值为1；
公式(4)表示为微观面元法向量分布函数，公式中的α表示为漫反射中介面的表面粗糙度；
公式(5)表示为遮蔽因子公式，描述微观面元相互遮挡的情况；公式(6)表示为公式(5)的具体计算式，公式中的α表示为漫反射中介面的表面粗糙度。
进一步的，在所述步骤S5中，通过如下方法，获得所述漫反射中介面的表面粗糙度α的值，具体为：
步骤S501、构建第三场景，所述第三场景为在所述漫反射中介面的一侧设置平板均匀热源与红外探测器；
步骤S502、通过k次改变所述平板均匀热源的温度，分别测量对应反射的辐射强度值Ιk；
步骤S503、采用Mitsuba物理渲染器，在其中搭建与所述第三场景相同的场景，并且同样使用基于微表面GGX分布的Cook-Torrance模型拟合漫反射中介面的双向折射率分布函数，最后进行k次软件模拟得到对应反射的辐射强度值
步骤S504、根据测量得到的辐射强度值Ιk，以及模拟得到的辐射强度值
计算得到所述漫反射中介面的表面粗糙度α，表达式为：
公式(7)中，Ι表示为实际测量的辐射强度值Ιk的平均值，
表示为模拟得到的辐射强度值
的平均值，
表示为漫反射中介面的表面粗糙度α的近似值。
进一步的，在所述步骤S501中，所述平板均匀热源的尺寸为大小为7cm×7cm，在所述漫反射中介面与所述平板均匀热源之间的距离为50.5cm，所述红外探测器与所述平板均匀热源的距离为14.5cm。
进一步的，所述步骤S5中的积分表达式为：
公式(8)中，
分别表示从待测物体射向漫反射中介面的入射光、从漫反射中介面一点w射向热成像相机的出射光的方向；Ω表示为待测物体向漫反射中介面上w点张的立体角；cosθi表示为漫反射中介面法线与入射光方向所夹角的余弦值；o、w分别表示为待测物体和漫反射中介面上点的位置；αw表示为漫反射中介面的表面吸收率，
表示为入射光方向矢量，
表示为出射光方向矢量，
表示为漫反射中介面表面法线矢量。
进一步的，所述步骤S7具体包括：
步骤S701、构建待测物体近似的平面辐照度矩阵，表达式为：
公式(9)和公式(10)中，μobj表示为待测物体实际发出的辐射表达式为：
表示为待测物体体元的矩阵，矩阵中元素值由公式(10)给出，
表示为所述待测物体体元不存在；
表示为所述待测物体体元存在；m表示为光传输矩阵A(m×n)的行数；
表示为光传输矩阵A第i行第j列的元素值；yj表示为辐照度的测量值；γ1、γ2均为常数。
步骤S702、利用步骤S701构建的平面辐照度矩阵，在Mitsuba物理渲染器中以固定的距离间隔模拟得到多个位置处待测物体产生的辐照度；
步骤S703、将步骤S702中经模拟得到的多个位置处待测物体产生的辐照度与步骤S4中得到的所述待测物体实际发出的有效辐射度μobj进行比较，将最接近所述有效辐射度μobj的辐照度对应的距离视为估计距离。
进一步的，在所述公式(10)中，γ1＝max{y}/1.5，γ2＝0.07；所述待测物体为人体。
进一步的，所述第二场景通常为相对干燥，环境温度变化不大且无风的地点，如地下停车场等。
本发明的有益效果是：
本发明提供的一种基于双向折射率分布函数的远红外非视域物体定位方法，与使用可见光的传统非视域成像相比，由于温度在绝对零度(0K)之上的所有物体都在向外发出红外辐射，本方法可以将被隐藏物体直接视为光源，将非视域成像系统变为了一个“单次反射”的问题，对成像处理进行了简化，同时摒弃了需要独立光源照射被隐藏物体的限制，大大扩展了非视域成像技术的应用场景。
附图说明
图1为实施例1中第二场景的示意图。
图2为实施例1中第二场景的示意图。
图3为实施例1中第三场景的示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例提供一种基于双向折射率分布函数的远红外非视域物体定位方法，参见图1-图2，图1和图2分别为本发明实施例所提供的一种非视域场景的侧视图和俯视图，其中包括了：热成像相机、待测物体、电子温度计以及产生漫反射的漫反射中介面，在本实施例中漫反射中介面为中介墙面，待测物体在本实施例中为人体。
具体的说，待测物体作为辐射源向外辐射远红外光，红外辐射在到达中介墙面后，被墙面向各个方向无规则地散射，被热成像相机所捕获。虽然投射到相机端的辐射经过墙面的散射已经失去了原来场景的具体信息，但是这部分辐射仍包含了非视域场景的相关信息，通过构建由目标物体到热成像相机的光传输矩阵，结合中介墙面的BRDF，仍可以实现对视野之外的目标物体位置的估计。
在上述热成像相机接收由中介墙面散射的来自待测物体的辐射的过程中，相机实际捕捉到的并不仅仅是待测物体发出的红外辐射，还会包含来自周围环境和中介墙面所发出的辐射。为了更准确的获取待测物体的那部分辐射，需要先对环境和墙面的辐射进行测量。
具体的说，本实施例提供的一种基于双向折射率分布函数的远红外非视域物体定位方法，包括如下步骤：
步骤S1、构建第一场景，第一场景包括漫反射中介面，并且在漫反射中介面的一侧设置热成像相机，通过热成像相机获取漫反射中介面的温度T1，并且通过电子温度计测量第一场景的环境温度Tamb；
步骤S2、通过步骤S1获取的第一场景下漫反射中介面的温度T1和环境温度Tamb，结合斯特藩-玻尔兹曼定律，计算得到第一场景下漫反射中介面的辐射出射度E1；
具体的说，由辐射度学中的斯特藩-玻尔兹曼定律可以得到此时中介墙面的辐射出射度E1：
其中，εw是中介墙面的发射率，ρ为中介墙面的反照率，αw为中介墙面的表面吸收率，σ为斯特藩-玻尔兹曼常数，σ≈5.67×10-8W/(m2·K4)。
步骤S3、构建第二场景，该第二场景如图1和图2所示，第二场景在第一场景的基础之上，在漫反射中介面靠近热成像相机的一侧设置待测物体，并且在待测物体和热成像相机之间设置遮挡物，根据斯特藩-玻尔兹曼定律，计算在第二场景下，漫反射中介面的辐射出射度E2；
具体的说，当待测物体进入上述非视域场景后，热成像相机测量中介墙面的温度T2,此时中介墙面的辐射出射度E2的表达式可写为：
其中，ε0为目标物体的表面发射率，Tobj为目标物体的温度。更具体的说，本实施例中的待测物体即为人体，故ε0取0.98，为了方便起见，Tobj取人体平均温度37℃。
步骤S4、根据步骤S2得到的辐射出射度E1以及步骤S3得到的辐射出射度E2计算待测物体实际发出的有效辐射度μobj；
具体的说，经过以上两次测量便可以得到热成像相机所能接收到的，由待测物体(人体)发出的有效辐射出射度Eobj：
根据基尔霍夫定律，物体的吸收率与其发射率在数值上相等，即αw＝εw，因此待测物体(人体)实际发出的辐射：
步骤S5、根据步骤S4得到的有效辐射度μobj，结合漫反射中介面的双向折射率分布函数，建立积分求得待测物体照射漫反射中介面相应区域被热成像相机捕捉到的辐射能量；
具体的说，为了得到目标物体经过中介墙面到达热成像相机的光传输矩阵，需要结合中介墙面的BRDF构建积分，因此需要提前对场景中出现的中介墙面的BRDF进行拟合。
经过实际测量和软件模拟，选定拟合度最高的基于微表面GGX分布的Cook-Torrance模型作为中介墙面的BRDF：
其中，
为入射光方向矢量，
为出射光方向矢量，
为中介墙面表面法线矢量，
为半矢量；
为表面正态分布函数；
在本实施例中，菲涅尔函数取：
由上式可以看出Cook-Torrance模型的BRDF以中介墙面的表面粗糙度α作为唯一参数，故要想得到中介墙面的BRDF，必须估计出其表面粗糙度α。
图3为本实施例中估算中介墙表面粗糙度α的实验场景示意图：图中的平板热源可以产生均匀热辐射，其大小为7cm×7cm，固定在距中介墙面50.5cm处，红外探测器固定在中介墙面前14.5cm处。
首先多次改变平板热源的温度，分别测量对应反射的辐射强度值Ιk，同时使用Mitsuba物理渲染器，在其中搭建相同的实验场景，使用基于微表面GGX分布的Cook-Torrance模型作为中介墙面的BRDF，在相同条件下进行软件模拟得到对应反射的辐射强度值
分别计算测量值Ιk和模拟值
的平均值Ι＝[Ι1，…，Ιk]；
α可近似为：
得到中介墙面的表面粗糙度后，其BRDF也随之确定；同时反照率ρ可以表示为：
其中ρs、μs分别为模拟得到的反照率和辐射出射度。
由目标物体上一点发出照射到中介墙面对应一点的辐照亮度：
其中o、w分别代指目标物和中介墙面对应的坐标点。
热成像相机从中介墙面上一点w的漫反射光中接收到的，由目标物体所发出的辐射亮度Lo(o，wo)可用积分(1)表示：
其中
分别为从目标物设想中介墙面的入射光、从中介墙面一点w射向相机的出射光的方向；Ω指目标物体向中介墙面上w点张的立体角；cosθi指中介墙面法线与入射光方向所夹角的余弦值；o、w分别表示为目标物体和漫反射墙壁上点的位置；αw表示为漫反射中介面的表面吸收率，
表示为入射光方向矢量，
表示为出射光方向矢量，
表示为漫反射中介面表面法线矢量。
由基尔霍夫定律，在一定温度下，任何物体的单色辐射能力Eλ(单位时间内物体表面单位面积向半球空间所有方向发出的全波长的辐射通量)与其单色吸收率αλ的比值都相等，等于同温度下黑体的单色辐射能力E0λ：
由辐射率ελ的定义可知：
可以得到ελ＝αλ。
由于本方法使用的远红外波段较窄，可以近似视为单色辐射，因此可以将(1-αw)视为(1-εw)＝ρ，即墙面的反照率。
步骤S6、采用蒙特卡洛路径追踪方法处理步骤S5建立的积分，得到第二场景的光传输矩阵
具体的说，上述积分(1)很难进行理论计算，因此使用蒙特卡洛路径追踪方法进行模拟，通过将目标物近似为有效辐射面积为S的面光源，将其转化为离散问题，得到亮度求解公式
其中n代表对目标物体进行均匀采样，将其分为n个微小表面；cosαi为第i个微面元的法线与入射光线方向的夹角。当n足够大时，上式中的Σ求和就可近似为积分。
通过计算公式(2)便可求得本实施例中的光传输矩阵
得到光传输矩阵后，便可对物体的位置进行估算，具体参见步骤S7。
步骤S7、根据步骤S4得到的有效辐射度μobj以及步骤S6得到的光传输矩阵
估算得到待测物体的位置。
具体的说，在本实施例中，步骤S7包括如下步骤：
首先，构建目标物体近似的平面辐照度矩阵
其中y表示辐照度的测量值；
xi＝0表示目标物体体元不存在；xi＝1表示目标物体体元存在。
在此实施例中，取γ1＝max{y}/1.5；γ2＝0.07。
利用上述矩阵x，在Mitsuba物理渲染器中以固定的距离间隔模拟得到多个位置处待测物体产生的辐照度：
假设进行了k次模拟，待测物体与中介墙面之间的距离分别为d1，d2…dk，对应的x矩阵分别为x(1)，x(2)…x(k)，通过模拟得到的辐照度值为
其中
为物体距中介墙面dk的NLOS场景的光传输矩阵。最终待测物体的位置估计可以表示为：
本发明未详述之处，均为本领域技术人员的公知技术。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (9)
1.一种基于双向折射率分布函数的远红外非视域物体定位方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1、构建第一场景，所述第一场景包括漫反射中介面，并且在所述漫反射中介面的一侧设置热成像相机，通过所述热成像相机获取所述漫反射中介面的温度T1，并且通过电子温度计测量所述第一场景的环境温度Tamb；
步骤S2、通过步骤S1获取的所述第一场景下所述漫反射中介面的温度T1和环境温度Tamb，结合斯特藩-玻尔兹曼定律，计算得到所述第一场景下所述漫反射中介面的辐射出射度E1；
步骤S3、构建第二场景，所述第二场景在所述第一场景的基础之上，在所述漫反射中介面靠近所述热成像相机的一侧设置待测物体，并且在所述待测物体和所述热成像相机之间设置遮挡物，根据斯特藩-玻尔兹曼定律，计算在所述第二场景下，漫反射中介面的辐射出射度E2；
步骤S4、根据步骤S2得到的辐射出射度E1以及步骤S3得到的辐射出射度E2计算所述待测物体实际发出的有效辐射度μobj；
步骤S5、根据所述有效辐射度μobj，结合所述漫反射中介面的双向折射率分布函数，建立积分求得所述待测物体照射所述漫反射中介面相应区域被所述热成像相机捕捉到的辐射能量；
步骤S6、采用蒙特卡洛路径追踪方法处理步骤S5建立的积分，得到所述第二场景的光传输矩阵
步骤S7、根据步骤S4得到的所述有效辐射度μobj以及所述步骤S6得到的所述光传输矩阵
估算得到所述待测物体的位置。
2.根据权利要求1所述的一种基于双向折射率分布函数的远红外非视域物体定位方法，其特征在于，在所述步骤S2中，所述第一场景下所述漫反射中介面的辐射出射度E1的表达式为：
公式(1)中，εw表示为漫反射中介面的发射率，ρ表示为漫反射中介面的反照率，αw表示为漫反射中介面的表面吸收率，σ表示为斯特藩-玻尔兹曼常数，其取值为5.67×10-8W/(m2·K4)，Tw表示为所述第一场景下漫反射中介面的表面温度，Tamb表达为所述第一场景下的环境温度。
3.根据权利要求2所述的一种基于双向折射率分布函数的远红外非视域物体定位方法，其特征在于，在所述步骤S3中，在所述第二场景下，漫反射中介面的辐射出射度E2的表达式为：
公式(2)中，ε0表示为待测物体的表面发射率，Tobj表示为待测物体的温度，αw表示为漫反射中介面的表面吸收率。
4.根据权利要求3所述的一种基于双向折射率分布函数的远红外非视域物体定位方法，其特征在于，在所述步骤S5中，通过基于微表面GGX分布的Cook-Torrance模型，拟合所述漫反射中介面的双向折射率分布函数，表达式为：
公式(3)中，
表示为入射光方向矢量，
表示为出射光方向矢量，
表示为漫反射中介面表面法线矢量，
表示为微观面元的法向量，
为菲涅尔函数，该函数取值为1；
公式(4)表示为微观面元法向量分布函数，公式中的α表示为漫反射中介面的表面粗糙度；
公式(5)表示为遮蔽因子公式，描述微观面元相互遮挡的情况；公式(6)表示为公式(5)的具体计算式，公式中的α表示为漫反射中介面的表面粗糙度。
5.根据权利要求4所述的一种基于双向折射率分布函数的远红外非视域物体定位方法，其特征在于，在所述步骤S5中，通过如下方法，获得所述漫反射中介面的表面粗糙度α的值，具体为：
步骤S501、构建第三场景，所述第三场景为在所述漫反射中介面的一侧设置平板均匀热源与红外探测器；
步骤S502、通过k次改变所述平板均匀热源的温度，分别测量对应反射的辐射强度值Ιk；
步骤S503、采用Mitsuba物理渲染器，在其中搭建与所述第三场景相同的场景，并且同样使用基于微表面GGX分布的Cook-Torrance模型拟合漫反射中介面的双向折射率分布函数，最后进行k次软件模拟得到对应反射的辐射强度值
步骤S504、根据测量得到的辐射强度值Ιk，以及模拟得到的辐射强度值
计算得到所述漫反射中介面的表面粗糙度α，表达式为：
公式(7)中，Ι表示为实际测量的辐射强度值Ιk的平均值，
表示为模拟得到的辐射强度值
的平均值，
表示为漫反射中介面的表面粗糙度α的近似值。
6.根据权利要求5所述的一种基于双向折射率分布函数的远红外非视域物体定位方法，其特征在于，在所述步骤S501中，所述平板均匀热源的尺寸为大小为7cm×7cm，在所述漫反射中介面与所述平板均匀热源之间的距离为50.5cm，所述红外探测器与所述平板均匀热源的距离为14.5cm。
7.根据权利要求6所述的一种基于双向折射率分布函数的远红外非视域物体定位方法，其特征在于，所述步骤S5中的积分表达式为：
公式(8)中，
分别表示从待测物体射向漫反射中介面的入射光、从漫反射中介面一点w射向热成像相机的出射光的方向；Ω表示为待测物体向漫反射中介面上w点张的立体角；cosθi表示为漫反射中介面法线与入射光方向所夹角的余弦值；o、w分别表示为待测物体和漫反射中介面上点的位置；αw表示为漫反射中介面的表面吸收率，
表示为入射光方向矢量，
表示为出射光方向矢量，
表示为漫反射中介面表面法线矢量。
8.根据权利要求7所述的一种基于双向折射率分布函数的远红外非视域物体定位方法，其特征在于，所述步骤S7具体包括：
步骤S701、构建待测物体近似的平面辐照度矩阵，表达式为：
公式(9)和公式(10)中，μobj表示为待测物体实际发出的辐射表达式为：
表示为待测物体体元的矩阵，矩阵中元素值由公式(10)给出，
表示为所述待测物体体元不存在；
表示为所述待测物体体元存在；m表示为光传输矩阵A(m×n)的行数；
表示为光传输矩阵A第i行第j列的元素值；yj表示为辐照度的测量值；γ1、γ2均为常数；
步骤S702、利用步骤S701构建的平面辐照度矩阵，在Mitsuba物理渲染器中以固定的距离间隔模拟得到多个位置处待测物体产生的辐照度；
步骤S703、将步骤S702中经模拟得到的多个位置处待测物体产生的辐照度与步骤S4中得到的所述待测物体实际发出的有效辐射度μobj进行比较，将最接近所述有效辐射度μobj的辐照度对应的距离视为估计距离。
9.根据权利要求8所述的一种基于双向折射率分布函数的远红外非视域物体定位方法，其特征在于，在所述公式(10)中，γ1＝max{y}/1.5，γ2＝0.07；所述待测物体为人体。
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