光谱制造应急人造环境光学视效分析

刘江海+方科+杨俊+王文龙

摘 要：本文主要论述通过分析光谱进行人造环境的视觉效果制作的可行性，通过分析光谱制造人造环境对于未来的信息通讯技术以及媒体娱乐中应用。该技术利用比对真实地物光谱库，并利用VC进行算法模型制作，使得所制造出来的光学视效更加与真实地物没有区分。

关键词：光谱匹配系数，四值编码算法，光谱角度匹配

一、引言

就人造环境的概念提出来看，我们可以大致引出两种源头。

其一，我们今天所常见的几种因为人类活动而导致的自然环境问题十分重大且对人类的生活有着重要的影响，例如挖空煤矿导致的山体崩塌以及地震，再比如，大量的砍伐树木，不仅造成沙漠化严重，还导致大量的水土流失。这些问题都随时影响到人类的生活甚至生命，在这种前提之下，人造环境被提上了命题。在重大的灾难来临之时，人们所创造的避难所均设在地下，例如核辐射，而在这种条件之下通过分析光谱与类生物机械进行结合制造的人造环境，在视觉上做到与真实自然环境别无二致便为重点。

其二，人类对于太空的探索不断的进步。人们对于太空星球的探索以及资源的争夺都是愈演愈烈，所提出来的论点之中有两个极为重要，一是太空移民，一是太空资源开采。适宜人类居住的星球最重要的是哪些呢？大气，水，除此之外的一部分环境问题我们均可以用人造环境结合类生物机械来进行处理，利用分析光谱制造应急人造环境，对于刚刚登陆开发移居星球的前几批工作者来说是不可缺少的重点，在刚开始的恶劣环境之中可以用人造环境来改善进行星球开发的工作人员的生活环境。

二、可行性分析

1、光谱匹配系数

根据光电阴极的光谱响应特性曲线，我们可以计算出光谱响应率Sλ，将Sλ对其最大化Smax归一化，可得相对光谱响应率为

S（λ）=Sλ/Smax——（1）

此时，光电阴极面接受的夜天光经过景物反射后的辐射，即

ωλ= ρλPλ——（2）

其中（2）式中的ωλ为景物反射辐射光谱分布；ρλ为景物的光谱反射系数，他随波长λ而变化；Pλ为夜天光辐射光谱分布，将景物的反射辐射光谱分布ωλ对其最大值ωmax归一化，得到其相對光谱分布为

ω（λ）=ωλ/ωmax——（3）

由此，我们可以从关系式定义光电阴极于景物反射辐射的光谱匹配系数为

α（S，ω（λ））=∫S（λ）ω（λ）dλ/∫ω（λ））dλ——（4）

那么我们分析式（4）可以知道，光谱匹配系数其实反映的是各种光谱响应的光电阴极对不同的辐射源的光谱利用率的高低，也就是说，这个利用率越高，越能够得到与实际物体所产生的光谱一样的光谱。分析可知当α越大时，匹配越好，从而微光夜视系统的观测效果也就越好，反之越差时匹配越差观测效果也就越差，根据式子我们可以知道α的值域在（0，1），越靠近1，越与实物反射产生的光谱相近，即越能体现出辐射源与实物之间的差别之小。达到以假乱真的效果。

2、光谱匹配基本模型算法

使用计算机软件通过算法制作光谱比较模型，通过所测物体的光谱度和已知的物体世纪光谱互相对比，来判别被测物体的种类，那么同样，我们可以通过对比从模拟人眼的光学仪器中的两条光谱曲线来使得目标物体在视觉上与实际地物一模一样。

2.1四值编码算法

首先对已知地物类别的光谱辐射至取平均值，得到阈值A，然后将光谱辐射值已A为边界分为[Xmin，A][A，Xmax]两个区间，在重复上步再划分得到总共四个区间。用同样的方法对待目标光谱曲线进行四值编码。使用异或方法，进行目标光谱和已知光谱匹配（即有区别为1，没区别为0），最后比较相等的个数，将目标分到波段数目相似最多的类别。

2.2光谱角度匹配

光谱角度定义为两地物光谱矢量之间的广义夹角余弦为相似函数，将像元N个波段的光谱响应作为N维空间中的矢量，通过计算他与最终光谱单元之间的广义夹角来表示它的匹配程度，夹角越小匹配程度越高，二者越相似。

日本kansai电力公司研制成功了一种新型太阳能辐射模拟系统，它不仅能模拟太阳光，还能模拟太阳热。这套系统用计算机控制等和加热器，一边产生接近自然的太阳辐射。它还配有人工的自然环境分系统，可模拟不同的气象条件。系统由氙灯，卤素灯和加热器组成，模拟阳光的波长范围从可见光（0.38到0.78微米）到红外线（0.78到20微米），而且光谱分布和自然阳光基本一样。

三、人造环境光学

就目前形似来看，高光谱图像在空间以及电磁谱维度中所利用较为广泛，尤其在遥控领域。

基于成像光谱仪在众多窄波段获取数据的特点，可以用已知地物类型的反射光谱，通过光谱频率曲线或特征匹配比较以达到识别地物类型的目的。长期的高光谱实验也收集了大量的实验室标准数据，建立了许多地物标准光谱数据库；那么从另一方面来说，人们可以用已知的数据伪造出与真实光谱无二的光谱已达到以假乱真的目的。

四、结束语

光谱识别技术是以物质构成的光谱唯一性为基础， 将目标的识别以光谱信息为第一特征，利用光谱的分析来得到现实生活中的自然物体在不同环境时所发射的光谱，对比获得正确的光谱，利用光电器件发射出对应的光谱。光谱识别技术的发展，包括计算机算法的发展，使得利用光谱制作更加逼真的人造环境得到可能。

参考文献：

[1] 蔡燕.光谱匹配算法的实现与比较.中国矿业大学环境与测绘学院.江苏徐州（221008）

[2]白廷柱、金伟其，光电成像原理与技术。 北京：北京理工大学出版社，2004

[3] 尉敏.太阳辐射圈光谱模拟人工光源的实验研究.西安建筑科技大学 20040601