BSDF數(shù)據(jù)交換文件的格式規(guī)定
概述
這篇文章介紹了雙向散射分布函數(shù)（Bi-Directional Scatter Distribution Function, BSDF）數(shù)據(jù)交換文件格式。在知識庫文章“How to use Tabular BSDF Data to Define the Surface Scattering Distribution”中，我們會在非序列下的BSDF散射模型中依據(jù)本文介紹的文件格式，使用表格BSDF數(shù)據(jù)來定義散射分布。這篇文章小編會在下周和大家分享。
介紹
在分析系統(tǒng)輻照度及雜散光分析時，表面散射是需要考慮的非常重要的一種效應(yīng)。在許多案例中，散射是非常重要的。在OpticStudio中內(nèi)置有多種散射分布，這包括朗伯散射(Lambertian)，高斯（Gaussian）及ABg模型。更多信息請查看幫助系統(tǒng)中The Setup > Non-Sequential Component Editor > Object Properties > Coat/Scatter標簽。
有時候我們想要的散射模型不符合OpticStudio內(nèi)置的散射模型中的任一種。如果想要散射分布可以用解析的方法表示并且該函數(shù)是可積的，則我們可以使用用戶自定義表面散射模型來定義，具體內(nèi)容可以參考我們上一周的文章“如何創(chuàng)建用戶自定義散射模型”。然而在許多情況下，我們可以直接測量得到物體表面的散射分布并得到該表面的BSDF數(shù)據(jù)。例如使用Radian Vision System（RVS）公司生產(chǎn)的球面散射分析儀 (Imaging Sphere for Scatter Appearance, IS-SA) 測量的BSDF數(shù)據(jù)。在照明系統(tǒng)設(shè)計中，我們可以在OpticStudio非序列模式中直接輸入測量得到的BSDF數(shù)據(jù)并生成對應(yīng)的散射分布。本文將具體介紹BSDF數(shù)據(jù)交換文件的格式，該格式的設(shè)計目標是用來快速轉(zhuǎn)換BSDF數(shù)據(jù)。
坐標系定義
首先我們需要定義數(shù)據(jù)的坐標系。這里一共使用四種重要的角度來描述光線在一個表面發(fā)生的散射。它們根據(jù)重要性排序如下：
·樣本旋轉(zhuǎn)角 (Sample Rotation) （圖示: SampleRotation）
·入射角 (Angle of Incidence) （圖示: AngleOfIncidence）
·散射方位角 (Azimuth Scattering angle) （圖示: ScatterAzimuth）
·散射極角 (Radial Scatter angle) （圖示: ScatterRadial）
四種角度的順序是非常重要的：對于每個樣本旋轉(zhuǎn)角，您可以得到不同入射角下的數(shù)據(jù)；對于每個入射角，您可以得到不同方位角的數(shù)據(jù)，依此類推。
上圖所示為描述散射數(shù)據(jù)的四個重要的BSDF角度。其中BRDF情況下，散射極角和散射方位角是相對于光線的鏡面反射角進行定義的。因此在大多數(shù)反射情況下，該方法所需報告數(shù)據(jù)的數(shù)量有效降低。在BTDF情況下，散射極角和散射方位角則是相對于透射光的方向進行定義的。散射極角為零度時對應(yīng)反射光線的方向，隨著極角增大，散射光線向外發(fā)散。方位角為零度對應(yīng)反射光線指向表面法向量的方向，隨著方位角增大，散射光線繞反射光線方向逆時針旋轉(zhuǎn)。
該圖展示了一束反射光的散射情況。其中上圖表示入射角為30度的光經(jīng)過表面反射后的散射數(shù)據(jù)。下圖為經(jīng)過校準變換后的數(shù)據(jù)，反射光的光斑中心位于坐標軸中點。需要注意的是，散射數(shù)據(jù)經(jīng)過了旋轉(zhuǎn)。變換后的數(shù)據(jù)格式中，0°方位角方向與照度圖的0°軸重合。
文件格式定義
BSDF數(shù)據(jù)交換文件實際上就是以 .BSDF為擴展名的文本文件。下表所示為文件中每個文本和數(shù)據(jù)行所對應(yīng)的含義：
該表顯示了BSDF數(shù)據(jù)交換文件的基本格式。改變其中的變量會影響枚舉格式。有關(guān)該表的詳細解釋請見本文“格式注釋”一節(jié)。以系統(tǒng)內(nèi)置的示例文件 BrownBinyl.BSDF 為例，各部分功能注釋如下：
格式注釋
本節(jié)將根據(jù)上文給出的表格中的編號，對數(shù)據(jù)交換文件的格式詳細介紹：
#. 任何以#號起始的行都將作為注釋被忽略
1. 目前 光源 (Source) 變量只支持一種情況：Measured
2. 對稱 (Symmetry) 變量包含三種情況：PlaneSymmetrical, ASymmetrical, ASymmetrical4D
PlaneSymmetrical
測量數(shù)據(jù)根據(jù)輻照度的光軸旋轉(zhuǎn)對稱，因此只有180°方位角的數(shù)據(jù)包含在文件中。請在平面對稱的各向同性樣本中使用這一設(shè)置。
Asymmetrical
在測量數(shù)據(jù)中沒有對稱性，不包括樣本旋轉(zhuǎn)。360°方位角的數(shù)據(jù)都會包含在文件中。在各向同性樣本中使用該設(shè)置（只對一個樣本旋轉(zhuǎn)方向）。
ASymmetrical4D
在測量數(shù)據(jù)中沒有對稱性，并且包括樣本旋轉(zhuǎn)。所有360°方位角的數(shù)據(jù)將包含在文件中。在個相同項樣本中使用該設(shè)置（可對多個樣本方向）。
3. 光譜 (SpectralContent) 變量包含兩種情況：Monochrome, XYZ
我們使用的RVS公司的IS-SA測試儀并不能測量全部光譜，而只是三色數(shù)據(jù)。
Monochrome
在該設(shè)置下，在DataBegin和DataEnd之間只有一組數(shù)據(jù)。該組數(shù)據(jù)在DataBegin的前一行進行了標注（見上表中第14行）。
XYZ
在該設(shè)置下文件將包含三組枚舉散射數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)對應(yīng)三色數(shù)據(jù)中的一種。每組數(shù)據(jù)在DataBegin的前一行進行了標注（見上表中第14行）。
4. 散射種類 (ScatterType) 變量包含兩種情況：BRDT, BTDF
BRDF
文件中包含的數(shù)據(jù)以BRDF為單位。坐標系中散射極角為0°時對應(yīng)反射光的方向。
BTDF
文件中包含的數(shù)據(jù)以BTDF為單位。坐標系中散射極角為0°時對應(yīng)透射光的方向。
5-12. 數(shù)據(jù)總數(shù) (Value Totals)（第5,7,9,11行）
所有數(shù)據(jù)均為正整數(shù)（不允許有小數(shù)點）。
對于樣本旋轉(zhuǎn)和入射角度的設(shè)置沒有上限。
對于方位角在PlaneSymmetry變量模式下的上限為180°，在Asymmetrical, ASymmetrycal4D 的上限為360°。
對于散射極角的上限為180°。
枚舉變量 (Enumeration value) （第6,8,10,12行）
所有枚舉變量均為正數(shù)。
枚舉變量的數(shù)目必須與數(shù)據(jù)總數(shù)一致。
枚舉變量不必等間距設(shè)置（請參考下一節(jié)中給出的示例文件，散射極角和散射方位角的枚舉值都不是等間隔的）。然而每個數(shù)據(jù)行必須以最后一個枚舉值為結(jié)尾（例如數(shù)據(jù)行不允許有多余的空格和Tab間隔符）。
16. 在每組龐大的數(shù)據(jù)前后都標有DataBegin和DataEnd。在每一塊數(shù)據(jù)開始前都會給出對應(yīng)入射角下的總體積分散射。該數(shù)據(jù)以 “TIS” 為起始。該數(shù)據(jù)表示比例值，如 .500表示50%光線發(fā)生散射，剩下的光線根據(jù)BRDF的定義發(fā)生散射或透射。
在TIS數(shù)據(jù)之后為散射數(shù)據(jù)表。該表中每個豎行表示對應(yīng)散射極角下不同方位角的散射數(shù)據(jù)。散射數(shù)據(jù)的行排列為分組進行。首先，散射方位角對應(yīng)每個入射角 (AngleOfIncidence)，每個入射角數(shù)據(jù)包含不同方位角的數(shù)據(jù)行，該數(shù)據(jù)以行為單位形成一組數(shù)據(jù)。每個樣本旋轉(zhuǎn)角又包含不同的入射角，因此每個樣本散射角下又包含多組不同的入射角數(shù)據(jù)組。
散射數(shù)據(jù)的枚舉格式根據(jù)光譜 (SpectralContent) 變量不同而變化。如果光譜變量設(shè)為Monochrome，則數(shù)據(jù)格式如一小節(jié)中示例代碼1和示例代碼2所示。如果光譜變量設(shè)為XYZ，則數(shù)據(jù)中包含兩個附加的DataBegin和DataEnd定義行，并且在每個定義行DataBegin前都包含附加的標記行。該數(shù)據(jù)格式如下一小節(jié)中示例代碼3所示。
BSDF數(shù)據(jù)交換格式示例
示例代碼1
這段代碼展示了單色數(shù)據(jù)的格式。其中只包含一組連續(xù)的數(shù)據(jù)，以及一組DataBegin和DataEnd定義行。在該示例中，只包含一個樣本方向的數(shù)據(jù)。如果需要設(shè)置多個樣本旋轉(zhuǎn)角，則我們需在最后一行數(shù)據(jù)之后且在DataEnd定義行之前插入額外的數(shù)據(jù)行。
Monochrome #Data Generated by Radiant Zemax' 'Imaging Sphere' #6/1/2007 11:30:46 AM #Name: Ron #Model #: BTDF of matte sample Source Measured Symmetry PlaneSymmetrical SpectralContent Monochrome ScatterType BRDF SampleRotation 1 0 AngleOfIncidence 6 0 10 20 30 45 60 ScatterAzimuth 5 0 30 60 90 180 ScatterRadial 15 0 1 2 3.5 5 6.7 8 13.1 ... Monochrome DataBegin TIS 0.72 3.689E+00 3.575E+00 2.907E+00 ... 3.689E+00 3.585E+00 3.108E+00 ... 3.689E+00 3.585E+00 3.044E+00 ... 3.689E+00 3.511E+00 3.143E+00 ... 3.689E+00 3.313E+00 2.905E+00 ... TIS 0.70 3.605E+00 3.491E+00 2.778E+00 ... 3.605E+00 3.444E+00 2.968E+00 ... 3.605E+00 3.444E+00 2.874E+00 ... 3.605E+00 3.316E+00 2.955E+00 ... 3.605E+00 3.206E+00 2.825E+00 ... TIS 0.61 3.154E+00 3.059E+00 2.455E+00 ... 3.154E+00 2.924E+00 2.472E+00 ... 3.154E+00 2.924E+00 2.374E+00 ... 3.154E+00 2.768E+00 2.454E+00 ... 3.154E+00 2.892E+00 2.615E+00 ... TIS 0.49 2.508E+00 2.453E+00 2.040E+00 ... 2.508E+00 2.341E+00 2.014E+00 ... 2.508E+00 2.341E+00 1.925E+00 ... 2.508E+00 2.203E+00 1.976E+00 ... 2.508E+00 2.311E+00 2.121E+00 ... TIS 0.27 1.391E+00 1.362E+00 1.186E+00 ... 1.391E+00 1.351E+00 1.228E+00 ... 1.391E+00 1.351E+00 1.203E+00 ... 1.391E+00 1.324E+00 1.233E+00 ... 1.391E+00 1.323E+00 1.255E+00 ... TIS 0.10 5.262E-01 5.333E-01 5.332E-01 ... 5.262E-01 5.295E-01 5.196E-01 ... 5.262E-01 5.295E-01 4.988E-01 ... 5.262E-01 5.122E-01 4.955E-01 ... 5.262E-01 5.070E-01 4.962E-01 ... DataEnd
示例代碼2
這段代碼同樣展示了單色數(shù)據(jù)的格式。其中只包含一組連續(xù)的數(shù)據(jù)，以及一組DataBegin和DataEnd定義行。其中代碼間的紅色標注介紹了散射數(shù)據(jù)中的散射極角，方位角以及入射角對應(yīng)的格式（其中每組數(shù)據(jù)包含15列，本例中只展示其中的3列）。本例中的散射數(shù)據(jù)只包含一個樣本旋轉(zhuǎn)方向。如果包含多個樣本旋轉(zhuǎn)方向，則我們需在最后一組數(shù)據(jù)的DataEnd定義行之后插入新DataBegin和DataEnd定義行。
#Data Generated by Radiant Imaging's 'Imaging Sphere' #6/1/2007 11:30:46 AM #Name: Ron #Model #: BTDF of matte sample Source Measured Symmetry PlaneSymmetrical SpectralContent Monochrome ScatterType BRDF SampleRotation 1 0 AngleOfIncidence 6 0 10 20 30 45 60 ScatterAzimuth 5 0 30 60 90 180 ScatterRadial 15 0 1 2 3.5 5 6.7 8 13.1 ... Monochrome DataBegin Rad 1 Rad 2 ... TIS 0.72 3.689E+00 Az 0 3.575E+00 2.907E+00 ... 3.689E+00 Az 30 3.585E+00 3.108E+00 ... 3.689E+00 . 3.585E+00 3.044E+00 ... Inc 0 3.689E+00 . 3.511E+00 3.143E+00 ... 3.689E+00 Az 180 3.313E+00 2.905E+00 ... TIS 0.70 3.605E+00 3.491E+00 2.778E+00 ... 3.605E+00 3.444E+00 2.968E+00 ... 3.605E+00 3.444E+00 2.874E+00 ... Inc 10 3.605E+00 3.316E+00 2.955E+00 ... 3.605E+00 3.206E+00 2.825E+00 ... TIS 0.61 3.154E+00 3.059E+00 2.455E+00 ... 3.154E+00 2.924E+00 2.472E+00 ... 3.154E+00 2.924E+00 2.374E+00 ... . 3.154E+00 2.768E+00 2.454E+00 ... 3.154E+00 2.892E+00 2.615E+00 ... TIS 0.49 2.508E+00 2.453E+00 2.040E+00 ... 2.508E+00 2.341E+00 2.014E+00 ... 2.508E+00 2.341E+00 1.925E+00 ... . 2.508E+00 2.203E+00 1.976E+00 ... 2.508E+00 2.311E+00 2.121E+00 ... TIS 0.27 1.391E+00 1.362E+00 1.186E+00 ... 1.391E+00 1.351E+00 1.228E+00 ... 1.391E+00 1.351E+00 1.203E+00 ... . 1.391E+00 1.324E+00 1.233E+00 ... 1.391E+00 1.323E+00 1.255E+00 ... TIS 0.10 5.262E-01 5.333E-01 5.332E-01 ... 5.262E-01 5.295E-01 5.196E-01 ... 5.262E-01 5.295E-01 4.988E-01 ... Inc 60 5.262E-01 5.122E-01 4.955E-01 ... 5.262E-01 5.070E-01 4.962E-01 ... DataEnd
示例代碼3
多色 (XYZ) 數(shù)據(jù)的格式示例。每個單獨的波長擁有分立的DataBegin和DataEnd定義行。如果有多個樣本旋轉(zhuǎn)方向，則數(shù)據(jù)將添加在每個波長組最后一行數(shù)據(jù)后，且在DataEnd定義行之前。
#Data Generated by Radiant Imaging's 'Imaging Sphere' #6/1/2007 11:30:46 AM #Name: Ro #Model #: BTDF of matte sample Source Measured Symmetry PlaneSymmetrical SpectralContent XYZ ScatterType BRDF SampleRotation 1 0 AngleOfIncidence 6 0 10 20 30 45 60 ScatterAzimuth 5 0 30 60 90 180 ScatterRadial 15 0 1 2 3.5 5 6.7 8 13.1 ... TristimulusX DataBegin TIS 0.72 3.689E+00 3.575E+00 2.907E+00 ... 3.689E+00 3.585E+00 3.108E+00 ... 3.689E+00 3.585E+00 3.044E+00 ... 3.689E+00 3.511E+00 3.143E+00 ... 3.689E+00 3.313E+00 2.905E+00 ... TIS 0.70 3.605E+00 3.491E+00 2.778E+00 ... 3.605E+00 3.444E+00 2.968E+00 ... 3.605E+00 3.444E+00 2.874E+00 ... 3.605E+00 3.316E+00 2.955E+00 ... 3.605E+00 3.206E+00 2.825E+00 ... TIS 0.61 3.154E+00 3.059E+00 2.455E+00 ... 3.154E+00 2.924E+00 2.472E+00 ... 3.154E+00 2.924E+00 2.374E+00 ... 3.154E+00 2.768E+00 2.454E+00 ... 3.154E+00 2.892E+00 2.615E+00 ... TIS 0.49 2.508E+00 2.453E+00 2.040E+00 ... 2.508E+00 2.341E+00 2.014E+00 ... 2.508E+00 2.341E+00 1.925E+00 ... 2.508E+00 2.203E+00 1.976E+00 ... 2.508E+00 2.311E+00 2.121E+00 ... TIS 0.27 1.391E+00 1.362E+00 1.186E+00 ... 1.391E+00 1.351E+00 1.228E+00 ... 1.391E+00 1.351E+00 1.203E+00 ... 1.391E+00 1.324E+00 1.233E+00 ... 1.391E+00 1.323E+00 1.255E+00 ... TIS 0.10 5.262E-01 5.333E-01 5.332E-01 ... 5.262E-01 5.295E-01 5.196E-01 ... 5.262E-01 5.295E-01 4.988E-01 ... 5.262E-01 5.122E-01 4.955E-01 ... 5.262E-01 5.070E-01 4.962E-01 ... DataEnd TristimulusY DataBegin TIS 0.72 3.689E+00 3.575E+00 2.907E+00 ... 3.689E+00 3.585E+00 3.108E+00 ... 3.689E+00 3.585E+00 3.044E+00 ... 3.689E+00 3.511E+00 3.143E+00 ...
小結(jié)
BSDF數(shù)據(jù)交換文件格式是由Zemax和RVS公司共同開發(fā)的，該格式提供了一個簡單快捷的方式將BSDF數(shù)據(jù)輸入到OpticStudio中。輸入到OpticStudio中的數(shù)據(jù)將用于在非序列模式下描述任意物體表面的表面散射分布。
