Kétirányú Reflektancia Eloszlásfüggvény (BRDF)

A kétirányú reflektancia eloszlásfüggvény (BRDF) egy matematikai függvény, amely leírja, hogyan verődik vissza a fény egy átlátszatlan felületen. Mennyiségileg meghatározza a beérkező fény iránya és a visszavert fény iránya közötti kapcsolatot, gyakran figyelembe véve a hullámhosszt is. A BRDF kulcsfontosságú annak megértéséhez és modellezéséhez, hogy a valós felületek hogyan lépnek kölcsönhatásba a fénnyel olyan területeken, mint a fizika, a távérzékelés, az optikai mérnöki tudomány és a számítógépes grafika.

A BRDF-et formálisan úgy definiálják, mint a visszavert radiancia adott irányban és a beeső irradiancia adott irányból vett arányát, mindkettőt egységnyi térszögre kifejezve. Pontos meghatározása és mérése elengedhetetlen a pontos sugárzásátviteli számításokhoz, a valósághű rendereléshez, valamint a távérzékelési adatok értelmezéséhez.

Geometriai meghatározás és fizikai jelentés

A BRDF-et két szögpárral paraméterezzük:

• Beesési irány: zénitszög (θ_i), azimutális szög (φ_i)
• Visszavert irány: zénitszög (θ_r), azimutális szög (φ_r)

A BRDF, felírva mint f_r(θ_i, φ_i; θ_r, φ_r; λ), megadja, hogy a (θ_i, φ_i) irányból érkező fény milyen hatékonysággal szóródik (θ_r, φ_r) irányba a λ hullámhosszon. Lényegében ez egy valószínűség-sűrűség függvényként működik, amely a felület által végzett szögbeli fényeloszlást írja le, beleértve a felületi érdesség, anyagösszetétel és mikrostruktúra hatását.

• Lambert-felületek (diffúz): A BRDF állandó, a fényt minden irányban egyformán veri vissza.
• Speculáris (tükörszerű) felületek: A BRDF élesen csúcsosodik a tükörirányban.
• Valós felületek: Diffúz és speculáris komponenseket is tartalmaznak, esetleg anizotrópiával vagy spektrális függéssel.

Matematikai megfogalmazás és mértékegységek

A BRDF matematikai definíciója:

[ f_r(θ_i, φ_i; θ_r, φ_r; λ) = \frac{dL_r(θ_r, φ_r; λ)}{dE_i(θ_i, φ_i; λ)} ]

ahol:

• ( dL_r ): differenciális visszavert radiancia a (θ_r, φ_r) irányban [W·m⁻²·sr⁻¹]
• ( dE_i ): differenciális beeső irradiancia (θ_i, φ_i) irányból [W·m⁻²]

Egy keskeny beeső nyaláb (dω_i térszöggel):

[ f_r(θ_i, φ_i; θ_r, φ_r; λ) = \frac{dL_r(θ_r, φ_r; λ)}{L_i(θ_i, φ_i; λ) \cosθ_i, dω_i} ]

Mértékegység:
A BRDF inverz szteradiánban (sr⁻¹) mérhető, mivel szög szerinti sűrűségfüggvény. Spektrális alkalmazásoknál hullámhossz (λ) függő is lehet.

Fő tulajdonságok: kölcsönösség, energia megmaradása, spektrális függés

Kölcsönösség

A kölcsönösségi elv kimondja, hogy a BRDF értéke változatlan, ha a beesési és visszaverődési irányokat felcseréljük (feltéve, hogy a felület passzív, lineáris):

[ f_r(θ_i, φ_i; θ_r, φ_r; λ) = f_r(θ_r, φ_r; θ_i, φ_i; λ) ]

Energia megmaradása

Egy fizikai BRDF-nek meg kell felelnie az energia megmaradásának; az összes visszavert teljesítmény bármely beesési irány esetén nem haladhatja meg a beeső teljesítményt:

[ \int_{2\pi} f_r(θ_i, φ_i; θ_r, φ_r; λ) \cosθ_r, dω_r \leq 1 ]

Spektrális függés

Sok felület BRDF-je hullámhosszfüggő, tükrözve azok színét vagy anyagelnyelési jellemzőit. Pontos spektrális BRDF adatok nélkülözhetetlenek távérzékeléshez, színtechnikához és optikai mérnöki alkalmazásokhoz.

Különleges esetek: Lambert-felület, tükörszerű, izotróp, anizotróp

• Lambert-felület:
  A BRDF állandó: ( f_r = \rho / \pi ), ahol ρ az albedó.
• Tükörszerű felület:
  A BRDF Dirac-delta függvény a tükörirányban.
• Izotróp BRDF:
  Forgatással invariáns a felület normálisa körül.
• Anizotróp BRDF:
  Abszolút iránytól függ, jellemző például csiszolt fémeknél vagy szöveteknél.

BRDF mérési módszerei

Goniometrikus mérés

A hagyományos goniometrikus reflektométerek egy kollimált fényforrást és detektort forgatnak a minta körül, hogy szisztematikusan mérjék a BRDF-et sok szögpárra. Ezek a rendszerek nagy pontosságúak és szögfelbontásúak, de idő- és adatigényesek.

Képalkotó BRDF-mérés

Képalkotó rendszerek kamerákat vagy tükrös optikát használnak, hogy egyszerre rögzítsék a visszavert fény szögbeli eloszlását. Gyorsabbak, és térben változó BRDF-eket is mérhetnek, bár általában alacsonyabb radiometrikus pontossággal.

Laboratóriumi és helyszíni technikák

A laboratóriumi elrendezések kalibrált forrásokat és detektorokat, valamint referencia standardokat használnak a pontos BRDF-méréshez. Terepi mérésekhez hordozható goniométereket vagy spektroradiométereket alkalmaznak a természetes felületek jellemzésére valós körülmények között, támogatva a távérzékelést és ökológiai modellezést.

A BRDF gyakorlati alkalmazásai

Távérzékelés és földmegfigyelés

A BRDF kulcsfontosságú a műholdképek értelmezésében, szögbeli hatások korrigálásában és a felszíni albedó meghatározásában – ami létfontosságú az éghajlat- és energiamérleg tanulmányokhoz.

Fekete lucfenyő erdő BRDF-je: balra (hátszórás, a Nap a megfigyelő mögött), jobbra (elülső szórás, a Nap a megfigyelővel szemben). Forrás: UMass Boston MODIS BRDF Explained.

Számítógépes grafika és fizikailag alapozott renderelés

A BRDF a fizikailag alapozott renderelés alapja, lehetővé téve a valósághű felületmegjelenítést virtuális környezetekben. Gyakori modellek például a Lambert, Phong és Cook-Torrance BRDF-ek.

Optikai mérnökség és fotometria

A BRDF-adatok alapvetőek bevonatok, tükrök tervezéséhez, valamint a szórtfény csökkentéséhez optikai rendszerekben. Használják továbbá festékek, filmek és anyagok értékelésére, ahol az irányfüggő reflektancia számít.

Laboratóriumi fotometria és űrszemét elemzés

A BRDF-mérések támogatják az űrszemét elemzését, segítik az objektum jellemzőinek meghatározását és javítják az űrbeli helyzetismeretet.

BRDF fogalmak és jelölések

Kapcsolódó reflektancia- és szórásfüggvények

• BSDF (kétirányú szórás-eloszlásfüggvény): Általános kifejezés, magában foglalja mind a visszaverődést (BRDF), mind az áteresztést (BTDF).
• BTDF (kétirányú transzmittancia eloszlásfüggvény): A továbbított fény szögbeli eloszlását írja le.
• BSSRDF (kétirányú felületi szórás reflektancia eloszlásfüggvény): Kiterjeszti a BRDF-et arra az esetre, amikor a fény egy ponton lép be és egy másik ponton lép ki, leírva az alfelületi szórás hatásait.

Hivatkozások

• Nicodemus, F.E., Richmond, J.C., Hsia, J.J., Ginsberg, I.W., Limperis, T., 1977. Geometriai szempontok és nómenklatúra a reflektanciához. NBS Monograph 160.
• ISO 15099:2003. Ablakok, ajtók és árnyékolók hőtechnikai teljesítménye – Részletes számítások.
• CIE Nemzetközi világítástechnikai szótár.
• Surface Optics Corporation – BRDF Áttekintés
• Ocean Optics Web Book
• UMass Boston – MODIS BRDF Explained

További részletekért vagy alkalmazásokért lépjen kapcsolatba csapatunkkal vagy kérjen bemutatót , hogy megtudja, hogyan segítheti projektjeit a BRDF modellezés.