Temporal constraints on linear BRDF model parameters

Linear models of bidirectional reflectance distribution are useful tools for understanding the angular variability of surface reflectance as observed by medium-resolution sensors such as the Moderate Resolution Imaging Spectrometer. These models are operationally used to normalize data to common view and illumination geometries and to calculate integral quantities such as albedo. Currently, to compensate for noise in observed reflectance, these models are inverted against data collected during some temporal window for which the model parameters are assumed to be constant. Despite this, the retrieved parameters are often noisy for regions where sufficient observations are not available. This paper demonstrates the use of Lagrangian multipliers to allow arbitrarily large windows and, at the same time, produce individual parameter sets for each day even for regions where only sparse observations are available.

Spectral BRDF-based determination of proper measurement geometries to characterize color shift of special effect coatings

A reduced set of measurement geometries allows the spectral reflectance of special effect coatings to be predicted for any other geometry. A physical model based on flake-related parameters has been used to determine nonredundant measurement geometries for the complete description of the spectral bidirectional reflectance distribution function (BRDF). The analysis of experimental spectral BRDF was carried out by means of principal component analysis. From this analysis, a set of nine measurement geometries was proposed to characterize special effect coatings. It was shown that, for two different special effect coatings, these geometries provide a good prediction of their complete color shift.

A BRDF-BPDF database for the analysis of Earth targets reflectances

A database of representative BRDF and BPDF derived from the POLDER measurements. From the huge amount of data acquired by the spaceborne instrument over a period of 7 years, we selected a set of targets with high quality observations. The selection aimed at a large number of observations, free of cloud or aerosol contamination, acquired in diverse observation geometry with a focus on the backscatter direction that shows the specific Hot-Spot signature. The targets are sorted according to the 16-classes IGBP land cover classification system and the target selection aims at a spatial representativeness within the class. The database thus provides a set of high quality BRDF and BPDF samples that can be used to assess the typical variability of natural surface reflectances or to evaluate models.

目标反射特性对激光测距的影响

针对非合作小目标激光测距系统,目标表面的反射特征对激光回波信号有很大的影响。建立测量表面双向反射分布函数(BRDF)的装置,对常用的两种热控材料——白漆涂层和F36多包层,测量了其在1064 nm波长下的双向反射分布函数。得出了白漆涂层镜面反射很小,散射角较大,利于各方向接收回波信号;而F36多包层镜面反射很强,散射角-2°~2°,不利于探测。通过由表面BRDF与由朗伯散射计算得到的最小接收功率的比较,得出了入射角大于45°入射白漆涂层时,回波信号较小;大于2°入射F36多包层时,没有回波信号。

Extended bidirectional reflectance distribution function for polarized light scattering from subsurface defects under a smooth surface

By introducing the scattering probability of a subsurface defect (SSD) and statistical distribution functions of SSD radius, refractive index, and position, we derive an extended bidirectional reflectance distribution function (BRDF) from the Jones scattering matrix. This function is applicable to the calculation for comparison with measurement of polarized light-scattering resulting from a SSD. A numerical calculation of the extended BRDF for the case of p-polarized incident light was performed by means of the Monte Carlo method. Our numerical results indicate that the extended BRDF strongly depends on the light incidence angle, the light scattering angle, and the out-of-plane azimuth angle. We observe a 180 degrees symmetry with respect to the azimuth angle. We further investigate the influence of the SSD density, the substrate refractive index, and the statistical distributions of the SSD radius and refractive index on the extended BRDF. For transparent substrates, we also find the dependence of the extended BRDF on the SSD positions. (c) 2006 Optical Society of America.

秋季植物叶子表观的模拟

提供了一种采样并生成植物叶子表观的方法,可以非常真实地展现叶子秋季在干枯、老化过程中多种纹理、表观属性的变化.在生成叶子纹理的过程中,有别于以往基于单一材质样本的表观合成技术,采集了大量不同叶子样本表面的双向反射分布函数BRDF和双向透射分布函数BTDF,最终从这些数据中得到叶子衰老过程在老化空间中的表达式和完全分布图.结合植物学知识和所得到的老化空间中的表达式和分布图,可以很好地指导合成秋季不同衰老程度叶子的表观纹理,并能够外插合成采样范围之外的叶子纹理样式.在生成多种不同种类和衰老程度的植物叶子的过程中验证了这种方法的有效性,得到了大量非常接近真实树叶的各种叶子形态和纹理.

植物老化过程模拟研究

植物老化过程模拟包括物体表观采集技术是如今计算机图形学的热点研究内容，它在理论研究以及实际应用两方面都具有重要意义。本文对此领域中的问题进行了深入研究与探讨，取得了一定的研究成果。 植物的老化模拟和真实感绘制技术一直是图形学中一个富有挑战性的问题，它对于让计算机中真实表现自然物体和场景起着不可或缺的作用。随着研究与应用的深入，植物的真实感仿真程度越来越成为研究者关注的重点。人们力图从几何形状和表观纹理等多方面提高虚拟植物的真实感，以满足应用的要求。本文即针对植物老化过程的模拟方法进行了研究，提出了基于物理模拟的叶子构型，完全老化空间方法，以及合成叶子表观等方面的一系列解决方法。这些方法与技术为自然场景中植物的真实绘制创造了条件，具有很强的实用价值。本文在植物模拟方面的主要工作与贡献如下：  提出一种基于物理模拟的叶子动态构型方法。该方法采用质点弹簧模型来表示叶子的物理结构，本文基于植物学和物理原理，在这里引入了双层结构模型表达叶子的力学结构，很好地模拟了不同种类植物叶子形状的多样性。通过分析叶子形状变化的原因，即在叶子枯萎过程中，叶肉和叶脉由于各自不同的组织结构，导致了收缩比例不同。从而在物理模拟中，建立关于叶子基本结构的双层质点－弹簧模型，并对上下两层的不同参数的合理设置，很好地表现了叶肉和叶脉的不同力学特性。 双层模型的相互作用，决定了叶子的最终变形方式和效果，由此可以得到非常接近真实树叶的各种叶子形态。  提出“完全老化空间”和“老化度”的概念，用来模拟变化过程中的植物表观。该概念的可以非常真实地展现叶子秋季在干枯、老化过程中多种纹理、表观属性的变化。在生成叶子纹理的过程中，有别于以往基于单一材质样本的表观合成技术，本文采集了大量不同叶子样本表面的双向反射分布函数BRDF和双向透射分布函数BTDF，最终从这些数据中得到叶子衰老过程在老化空间中的表达式和完全分布图。结合植物学知识和所得到的老化空间中表达式和分布图，可以很好地指导合成各个季节中不同衰老程度叶子的表观纹理，并能外插合成采样范围之外的叶子纹理样式。本文在生成多种不同种类和衰老程度的植物叶子的过程中验证了这种方法的有效性，得到大量非常接近真实树叶的各种叶子表观和纹理.  提出一种基于随机过程的方法，对一类特征相似的叶子进行模拟，产生大量特征相似但细节不同的叶子模型。这种方法主要是通过基于特征值提取的数学方法来，随机地生成大量几何细节上不同，但主体特征相似的叶子。具体算法主要由二维流型上的拉普拉斯算子特征函数来完成。通过这种方法，可以快速生成几何细节上略有区别的同类叶子模型，大大提高了模型生成和构造的速度，从而使得本文可以生成大量不同的植物叶子。 表观采集技术是为了更加真实地对物体进行绘制而产生的技术。近年来，表观采集技术和表达方法逐渐的成为真实感绘制研究的主要问题，并获得了很大发展，它在高度真实感复杂场景绘制、虚拟现实、科学计算可视化等诸多领域都具有重要应用价值。本文针对基于BRDF和BTDF表达的表观和采样技术及其在实验应用设备进行了研究，主要贡献包括：  提出一种物体表面表观采集设备及其数据采集、处理方法。设备包括：光源移动平台、线性光源、均匀白色面光源、图像采集相机和控制/数据接收单元；通过采集的反射图像序列和透射图像，并对数据进行处理得到物体的双向反射分布函数BRDF数据和双向透射分布函数BTDF数据。本文的方法和设备成本低廉且精度高，而且能够同时采集物体表面的双向反射分布函数BRDF和双向透射分布函数BTDF，具有采集速度快、数据密度大等特点。

卫星表面光学反射特性建模与仿真研究

在研究空间相机成像效果探测问题时,针对提高探测相机成像真实效果的需要,研究了卫星表面光学反射特性的建模与仿真方法。利用双向反射分布函数(BRDF)仿真卫星表面的光学反射特性,将卫星表面物理特性与其光学反射特性有机地结合起来。在VC.Net环境下开发卫星表面光学反射特性仿真软件,并将软件集成到空间探测相机成像效果仿真平台上。利用平台进行成像仿真实验,生成真实感仿真图片。仿真结果表明,BRDF能够精确仿真卫星表面的光学反射特性,使成像效果仿真更加准确和逼真。

Surface Reflectance Estimation and Natural Illumination Statistics

Humans recognize optical reflectance properties of surfaces such as metal, plastic, or paper from a single image without knowledge of illumination. We develop a machine vision system to perform similar recognition tasks automatically. Reflectance estimation under unknown, arbitrary illumination proves highly underconstrained due to the variety of potential illumination distributions and surface reflectance properties. We have found that the spatial structure of real-world illumination possesses some of the statistical regularities observed in the natural image statistics literature. A human or computer vision system may be able to exploit this prior information to determine the most likely surface reflectance given an observed image. We develop an algorithm for reflectance classification under unknown real-world illumination, which learns relationships between surface reflectance and certain features (statistics) computed from a single observed image. We also develop an automatic feature selection method.

How do Humans Determine Reflectance Properties under Unknown Illumination?

Under normal viewing conditions, humans find it easy to distinguish between objects made out of different materials such as plastic, metal, or paper. Untextured materials such as these have different surface reflectance properties, including lightness and gloss. With single isolated images and unknown illumination conditions, the task of estimating surface reflectance is highly underconstrained, because many combinations of reflection and illumination are consistent with a given image. In order to work out how humans estimate surface reflectance properties, we asked subjects to match the appearance of isolated spheres taken out of their original contexts. We found that subjects were able to perform the task accurately and reliably without contextual information to specify the illumination. The spheres were rendered under a variety of artificial illuminations, such as a single point light source, and a number of photographically-captured real-world illuminations from both indoor and outdoor scenes. Subjects performed more accurately for stimuli viewed under real-world patterns of illumination than under artificial illuminations, suggesting that subjects use stored assumptions about the regularities of real-world illuminations to solve the ill-posed problem.

REFLECT : logiciel de restitution des réflectances au sol pour l’amélioration de la qualité de l'information extraite des images satellitales à haute résolution spatiale

RÉSUMÉ - Les images satellitales multispectrales, notamment celles à haute résolution spatiale (plus fine que 30 m au sol), représentent une source d’information inestimable pour la prise de décision dans divers domaines liés à la gestion des ressources naturelles, à la préservation de l’environnement ou à l’aménagement et la gestion des centres urbains. Les échelles d’étude peuvent aller du local (résolutions plus fines que 5 m) à des échelles régionales (résolutions plus grossières que 5 m). Ces images caractérisent la variation de la réflectance des objets dans le spectre qui est l’information clé pour un grand nombre d’applications de ces données. Or, les mesures des capteurs satellitaux sont aussi affectées par des facteurs « parasites » liés aux conditions d’éclairement et d’observation, à l’atmosphère, à la topographie et aux propriétés des capteurs. Deux questions nous ont préoccupé dans cette recherche. Quelle est la meilleure approche pour restituer les réflectances au sol à partir des valeurs numériques enregistrées par les capteurs tenant compte des ces facteurs parasites ? Cette restitution est-elle la condition sine qua non pour extraire une information fiable des images en fonction des problématiques propres aux différents domaines d’application des images (cartographie du territoire, monitoring de l’environnement, suivi des changements du paysage, inventaires des ressources, etc.) ? Les recherches effectuées les 30 dernières années ont abouti à une série de techniques de correction des données des effets des facteurs parasites dont certaines permettent de restituer les réflectances au sol. Plusieurs questions sont cependant encore en suspens et d’autres nécessitent des approfondissements afin, d’une part d’améliorer la précision des résultats et d’autre part, de rendre ces techniques plus versatiles en les adaptant à un plus large éventail de conditions d’acquisition des données. Nous pouvons en mentionner quelques unes : - Comment prendre en compte des caractéristiques atmosphériques (notamment des particules d’aérosol) adaptées à des conditions locales et régionales et ne pas se fier à des modèles par défaut qui indiquent des tendances spatiotemporelles à long terme mais s’ajustent mal à des observations instantanées et restreintes spatialement ? - Comment tenir compte des effets de « contamination » du signal provenant de l’objet visé par le capteur par les signaux provenant des objets environnant (effet d’adjacence) ? ce phénomène devient très important pour des images de résolution plus fine que 5 m; - Quels sont les effets des angles de visée des capteurs hors nadir qui sont de plus en plus présents puisqu’ils offrent une meilleure résolution temporelle et la possibilité d’obtenir des couples d’images stéréoscopiques ? - Comment augmenter l’efficacité des techniques de traitement et d’analyse automatique des images multispectrales à des terrains accidentés et montagneux tenant compte des effets multiples du relief topographique sur le signal capté à distance ? D’autre part, malgré les nombreuses démonstrations par des chercheurs que l’information extraite des images satellitales peut être altérée à cause des tous ces facteurs parasites, force est de constater aujourd’hui que les corrections radiométriques demeurent peu utilisées sur une base routinière tel qu’est le cas pour les corrections géométriques. Pour ces dernières, les logiciels commerciaux de télédétection possèdent des algorithmes versatiles, puissants et à la portée des utilisateurs. Les algorithmes des corrections radiométriques, lorsqu’ils sont proposés, demeurent des boîtes noires peu flexibles nécessitant la plupart de temps des utilisateurs experts en la matière. Les objectifs que nous nous sommes fixés dans cette recherche sont les suivants : 1) Développer un logiciel de restitution des réflectances au sol tenant compte des questions posées ci-haut. Ce logiciel devait être suffisamment modulaire pour pouvoir le bonifier, l’améliorer et l’adapter à diverses problématiques d’application d’images satellitales; et 2) Appliquer ce logiciel dans différents contextes (urbain, agricole, forestier) et analyser les résultats obtenus afin d’évaluer le gain en précision de l’information extraite par des images satellitales transformées en images des réflectances au sol et par conséquent la nécessité d’opérer ainsi peu importe la problématique de l’application. Ainsi, à travers cette recherche, nous avons réalisé un outil de restitution de la réflectance au sol (la nouvelle version du logiciel REFLECT). Ce logiciel est basé sur la formulation (et les routines) du code 6S (Seconde Simulation du Signal Satellitaire dans le Spectre Solaire) et sur la méthode des cibles obscures pour l’estimation de l’épaisseur optique des aérosols (aerosol optical depth, AOD), qui est le facteur le plus difficile à corriger. Des améliorations substantielles ont été apportées aux modèles existants. Ces améliorations concernent essentiellement les propriétés des aérosols (intégration d’un modèle plus récent, amélioration de la recherche des cibles obscures pour l’estimation de l’AOD), la prise en compte de l’effet d’adjacence à l’aide d’un modèle de réflexion spéculaire, la prise en compte de la majorité des capteurs multispectraux à haute résolution (Landsat TM et ETM+, tous les HR de SPOT 1 à 5, EO-1 ALI et ASTER) et à très haute résolution (QuickBird et Ikonos) utilisés actuellement et la correction des effets topographiques l’aide d’un modèle qui sépare les composantes directe et diffuse du rayonnement solaire et qui s’adapte également à la canopée forestière. Les travaux de validation ont montré que la restitution de la réflectance au sol par REFLECT se fait avec une précision de l’ordre de ±0.01 unités de réflectance (pour les bandes spectrales du visible, PIR et MIR), même dans le cas d’une surface à topographie variable. Ce logiciel a permis de montrer, à travers des simulations de réflectances apparentes à quel point les facteurs parasites influant les valeurs numériques des images pouvaient modifier le signal utile qui est la réflectance au sol (erreurs de 10 à plus de 50%). REFLECT a également été utilisé pour voir l’importance de l’utilisation des réflectances au sol plutôt que les valeurs numériques brutes pour diverses applications courantes de la télédétection dans les domaines des classifications, du suivi des changements, de l’agriculture et de la foresterie. Dans la majorité des applications (suivi des changements par images multi-dates, utilisation d’indices de végétation, estimation de paramètres biophysiques, …), la correction des images est une opération cruciale pour obtenir des résultats fiables. D’un point de vue informatique, le logiciel REFLECT se présente comme une série de menus simples d’utilisation correspondant aux différentes étapes de saisie des intrants de la scène, calcul des transmittances gazeuses, estimation de l’AOD par la méthode des cibles obscures et enfin, l’application des corrections radiométriques à l’image, notamment par l’option rapide qui permet de traiter une image de 5000 par 5000 pixels en 15 minutes environ. Cette recherche ouvre une série de pistes pour d’autres améliorations des modèles et méthodes liés au domaine des corrections radiométriques, notamment en ce qui concerne l’intégration de la FDRB (fonction de distribution de la réflectance bidirectionnelle) dans la formulation, la prise en compte des nuages translucides à l’aide de la modélisation de la diffusion non sélective et l’automatisation de la méthode des pentes équivalentes proposée pour les corrections topographiques.

Modes de représentation pour l'éclairage en synthèse d'images

Réalisé en cotutelle avec l'Université Bordeaux 1 (France)

Construction interactive de BRDFs par simulation 2D de micro-géométries en couches multiples

Les modèles de réflexion complexes, avec leurs nombreux paramètres dont certains restent non intuitifs, sont difficiles à contrôler pour obtenir une apparence désirée. De plus, même si un artiste peut plus aisément comprendre la forme de la micro-géométrie d'une surface, sa modélisation en 3D et sa simulation en 4D demeurent extrêmement fastidieuses et coûteuses en mémoire. Nous proposons une solution intermédiaire, où l'artiste représente en 2D une coupe dans un matériau, en dessinant une micro-géométrie de surface en multi-couches. Une simulation efficace par lancer de rayons en seulement 2D capture les distributions de lumière affectées par les micro-géométries. La déviation hors-plan est calculée automatiquement de façon probabiliste en fonction de la normale au point d'intersection et de la direction du rayon incident. Il en résulte des BRDFs isotropes complètes et complexes, simulées à des vitesses interactives, et permettant ainsi une édition interactive de l'apparence de réflectances riches et variées.

Simulation des fonctions de texture bidirectionnelles

Le réalisme des objets en infographie exige de simuler adéquatement leur apparence sous divers éclairages et à différentes échelles. Une solution communément adoptée par les chercheurs consiste à mesurer avec l’aide d’appareils calibrés la réflectance d’un échantillon de surface réelle, pour ensuite l’encoder sous forme d’un modèle de réflectance (BRDF) ou d’une texture de réflectances (BTF). Malgré des avancées importantes, les données ainsi mises à la portée des artistes restent encore très peu utilisées. Cette réticence pourrait s’expliquer par deux raisons principales : (1) la quantité et la qualité de mesures disponibles et (2) la taille des données. Ce travail propose de s’attaquer à ces deux problèmes sous l’angle de la simulation. Nous conjecturons que le niveau de réalisme du rendu en infographie produit déjà des résultats satisfaisants avec les techniques actuelles. Ainsi, nous proposons de précalculer et encoder dans une BTF augmentée les effets d’éclairage sur une géométrie, qui sera par la suite appliquée sur les surfaces. Ce précalcul de rendu et textures étant déjà bien adopté par les artistes, il pourra mieux s’insérer dans leurs réalisations. Pour nous assurer que ce modèle répond aussi aux exigences des représentations multi-échelles, nous proposons aussi une adaptation des BTFs à un encodage de type MIP map.

Estimating the direct aerosol radiative perturbation: impact of ocean surface representation and aerosol non-sphericity

Atmospheric aerosols are now actively studied, in particular because of their radiative and climate impacts. Estimations of the direct aerosol radiative perturbation, caused by extinction of incident solar radiation, usually rely on radiative transfer codes and involve simplifying hypotheses. This paper addresses two approximations which are widely used for the sake of simplicity and limiting the computational cost of the calculations. Firstly, it is shown that using a Lambertian albedo instead of the more rigorous bidirectional reflectance distribution function (BRDF) to model the ocean surface radiative properties leads to large relative errors in the instantaneous aerosol radiative perturbation. When averaging over the day, these errors cancel out to acceptable levels of less than 3% (except in the northern hemisphere winter). The other scope of this study is to address aerosol non-sphericity effects. Comparing an experimental phase function with an equivalent Mie-calculated phase function, we found acceptable relative errors if the aerosol radiative perturbation calculated for a given optical thickness is daily averaged. However, retrieval of the optical thickness of non-spherical aerosols assuming spherical particles can lead to significant errors. This is due to significant differences between the spherical and non-spherical phase functions. Discrepancies in aerosol radiative perturbation between the spherical and non-spherical cases are sometimes reduced and sometimes enhanced if the aerosol optical thickness for the spherical case is adjusted to fit the simulated radiance of the non-spherical case.