在 ASAP 中进行散射光模拟的五种方法

根据应用的方向, 或根据散射计算过程中所产生的散射光线的数目, 可以把 ASAP 的散射模拟方法分成好几类。 在某些应用中, 入射光线打在散射表面上时, ASAP 会根据某一特定散射函数 (scat-tering function) 对光线的传播方向进行微扰, 使之偏离镜面路径 (specular path), 而不产生新的散射光线。 在其它的应用中, ASAP 会产生一条或多条的光线以模拟散射光。在ASAP 中, 可以用 LEVEL 指令来控制在散射接口上产生的散射光线能否继续被其他接口散射, 或每一根光线可以被散射的次数。ASAP 亦会根据用户在界面的反射及透射方向上定义的不同散射模型来产生散射光线。

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方法 1 : SCATTER RANDOM (表面散射)
在 ASAP 中, SCATTER RANDOM 指令是用来仿真朗伯(Lambertian)表面。朗伯散射表面的散射亮度为常数而与光线的入射角度无关, 其散射光强度则根据散射光线与该表面法线方向夹角的余弦值而改变。 这方法常用来模拟简单的扩散片(diffuser)。当一条入射光线打在以此指令定义的散射面上时, ASAP 将产生多条的额外光线以模拟朗伯散射表面 。 换句话说, 这方法对应的是`一条光线进, 多条光线出'的散射模拟方法。 这些光线是被散射到一个半球形的区域内, 每一根光线携带相同的光通量 (flux)。ASAP 采用一个名为光线密度 (ray-density method)的算法来产生这朗伯散射光线的空间分布模式: 当入射光线是在散射表面的法线方向附近, ASAP 在单位立体角度内产生的光线数目比较多; 当光线是掠入射 (grazing incident)时, 将产生较少的散射光线。

方法 2 : ROUGHNESS MODEL (表面散射)
在使用 ROUGHNESS MODEL 指令时, ASAP 会随机改变与入射光线相交处的表面法线方向, 从而改变反射及透射光线的方向来模拟粗糙表面。ASAP 会首先根据用户定义的射散模型在内部产生一个数学统计模型 -- 表面斜率统计(surface slope statistics)。 ASAP 以此统计模型为前述表面法线方向的随机取样基础。当光线为正向入射于散射表面时, 此表面斜率统计模型的数学定义会使得发出来的散射光线分布与原来定义的散射模型恰好相符。要注意的是, 当光线是非正向入射时, ASAP 仍然采用同一表面斜率统计模型进行计算。使用此方法时, 没有产生新的散射光线: 对每一根入射光线, ASAP 通过对传播方向的改变而将之转化成散射光线。这方法常用在照明设计中对粗糙表面的模拟。

方法3 : SCATTER MODEL (表面散射)
使用 SCATTER MODEL 指令时, ASAP 会根据用户所定义的散射模型, 把光线散射到指定的面积或立体角内。 类似于SCATTER RANDOM指令, 对应每一条入射光线, SCATTER MODEL 指令会产生多条射散光线; 然而, SCATTER MODEL 产生的光线各携带不同的光通量, 其大小取决于下列因素: 散射函数, 散射光束传播的面积, 以及所对应的立体角。换言之, ASAP根据所定义的散射函数对各光线进行加权运算。在使用SCATTER MODEL 及ROUGHNESS MODEL 指令时, 用户必须先在 ASAP 中定义散射模型以产生散射函数。

方法 4 : SCATTER BSDF 或 SCATTER RMS (表面散射)
SCATTER BSDF 及 SCATTER RMS 指令是用来仿真由成像系统内光学组件产生的视场内射散。对应于每一根打在散射表面上的入射光线, ASAP 会产生一根散射光线; 其传播方向将非常接近于入射光线的镜向方向 (specular direction)。

方法 5 : MEDIA... SCATTER... (体散射)
在 ASAP 中, 可以使用 MEDIA 指令来仿真体散射 (volume scattering)。根据用户定义的体散射模型, ASAP 使用蒙地卡罗(Monte-Carlo)算法对在体散射介质内传播的光线进行微扰。如果用户定义的是非均匀体散射模型(inhomogenous volume scatter model), 则其散射性质会根据光线在介质中的三维空间位置而改变。散射光线对散射角度的分布则可以定义为各向同性, 例如在米氏散射(Mie scattering)或 Henyey-Greenstein 散射的情形; 在其它情况, 使用者可以自定函数来描述。