光子在苹果中传输的蒙特卡洛仿真(源码)
水果组织中的光能量分布信息对水果质量检测和分级具有重要的意义。水果的特性和成分差异，导致其对光的吸收和散射作用各不相同，根据水果表面的反透射光谱以及水果组织内部的光能量分布，可分析出水果的品质差异。当前计算机模拟粒子输运问题普遍采用蒙特卡洛方法，光子输运问题也可以应用蒙特卡洛方法进行仿真。本文首先介绍课题的背景与意义，简要介绍了蒙特卡洛方法的基本思想和一般应用步骤；然后，详细地阐述了实现模拟光子在苹果模型中传输的方法；最后，可视化地展示光子在苹果内传输的轨迹，并根据实验结果对不同参数下的光能量分布进行分析。
目录
摘要 1
关键词 1
1 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 研究内容与技术路线 2
1.2.1 研究内容 2
1.2.2 技术路线 2
2 基础理论 2
2.1 光传输的理论模型 2
2.2 光在组织中的传输 2
2.2.1 四个基本光学参数 2
2.2.2 光与组织的相互作用 3
2.3 蒙特卡洛方法 3
2.3.1 概述 3
2.3.2 一般的使用步骤 4
2.3.3 优势与缺点 4
2.4 蒙特卡洛概率抽样 4
2.4.1 步长的概率抽样 4
2.4.2 散射方向的概率抽样 4
2.5 光子传输的基础理论 5
2.5.1 光子的步长 5
2.5.2 光子的吸收 5
2.5.3 光子的散射 5
2.5.4 反射和折射 5
3 算法仿真 5
3.1 算法中用到的坐标系 5
3.1.1 笛卡尔直角坐标系 5
3.1.2 移动球坐标系 5
3.1.3 极坐标系 6
3.2 简单几何体中的光子传输仿真 6
3.2.1 单层组织 6
3.2.2 多层组织 8
3.2.3 标准球体 10
3.3 苹果模型的光子传输仿真 11
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3.3.1 苹果模型 11
3.3.2 算法流程 11
3.3.3 算法流程图 11
3.3.4 光子数据结构 12
3.3.5 入射点的选取 12
3.3.6 光子的移动一个步长 12
3.3.7 光子是否在苹果内 13
3.3.8 反射点的计算 13
3.3.9 反射方向的计算 13
3.3.10 光子的终止 14
4 实验结果和数据分析 14
4.1 仿真结果可视化GUI 14
4.2 仿真结果可视化分析 14
4.3 漫反射光轨迹的最大深度和入射点的关系 15
4.4 漫反射光逃逸点的Kmeans聚类分析 17
5 总结与展望 17
5.1 总结 17
5.2 展望 18
致谢 18
参考文献 18 光子在苹果中传输的蒙特卡洛仿真
引言
1 绪论
1.1 研究背景
水果组织中光能量的分布对水果质量检测和品质分级具有重要意义，我国是水果生产大国，早期的品质分级主要依靠人工分拣，依据水果的外观（大小、颜色、形状等）存在效率低下和无法鉴定水果内部信息的问题。近年来，依据声学、光学、计算机技术和自动化控制理论，对生物组织进行无损检测的技术的迅速发展，水果品质检测技术由人工分拣逐渐转化为自动化检测。其中应用最广、效果最好的技术是光谱分析技术，其原理是用选定波长的光照射水果表面，光照射到水果后一系列的反射、散射和吸收。由于水果的特性和成分差异，对各个波段的光的吸收和散射作用各不相同，根据水果表面反透射光谱以及水果组织内部的光能量分布，可分析出水果的品质差异。
在生物组织中，影响光子传输的因子较多，是一个多维空间求解的问题，一般的数值计算方法过于复杂，计算量大无法直接求解，此时应用蒙特卡洛方法能够简化问题，得出期望的结果。目前很多关于光在水果组织中传输的研究都是基于多层模型的[1,2]，和真实的完整水果模型有一定的差距，对于光在曲面和复杂水果模型中的传输目前还尚未有定论。
1.2 研究内容与技术路线
1.2.1 研究内容
为了研究光子的传输过程，先从已有的多层组织模型入手，用MATLAB编写程序实现对光子在多层组织中传输的仿真，并考察实验结果的准确性。
从已有结果的论文中获取苹果组织的光学参数，在计算机上绘制苹果模型。实现光子在苹果组织传输的关键数据——步长、偏转角、权重衰减等的数值抽样。
尝试实现光子在苹果内部传输的仿真程序设计，并将光子运动轨迹可视化。
设计制作GUI界面，在苹果表面选取不同入射点，绘制相应的光子运动轨迹。
分析比较不同光学参数下和不同入射点下的光子运动轨迹，得出实验结论。
1.2.2 技术路线
首先学习MATLAB的有关知识，包括基础语法，3D建模，GUI等需要用到的知识。
因为研究的仿真算法是基于物理学的光学分支的，所以查阅文献了解光子传播的原理机制，特别关注了光的粒子性和基于该特性提出的光子输运理论。
（3）接下来编写程序对光子在层级组织中传输进行仿真，将实验结果和现有的标准进行对比调优，并具体学习理解该过程。
（4）在充分理解光子在层级组织中传输的蒙特卡洛仿真的基础上建立对苹果模型仿真的程序架构，在计算机上实现该算法，通过可视化显示光子传输过程，并判断实验结果的合理性。
目录
摘要 1
关键词 1
1 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 研究内容与技术路线 2
1.2.1 研究内容 2
1.2.2 技术路线 2
2 基础理论 2
2.1 光传输的理论模型 2
2.2 光在组织中的传输 2
2.2.1 四个基本光学参数 2
2.2.2 光与组织的相互作用 3
2.3 蒙特卡洛方法 3
2.3.1 概述 3
2.3.2 一般的使用步骤 4
2.3.3 优势与缺点 4
2.4 蒙特卡洛概率抽样 4
2.4.1 步长的概率抽样 4
2.4.2 散射方向的概率抽样 4
2.5 光子传输的基础理论 5
2.5.1 光子的步长 5
2.5.2 光子的吸收 5
2.5.3 光子的散射 5
2.5.4 反射和折射 5
3 算法仿真 5
3.1 算法中用到的坐标系 5
3.1.1 笛卡尔直角坐标系 5
3.1.2 移动球坐标系 5
3.1.3 极坐标系 6
3.2 简单几何体中的光子传输仿真 6
3.2.1 单层组织 6
3.2.2 多层组织 8
3.2.3 标准球体 10
3.3 苹果模型的光子传输仿真 11
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3.3.1 苹果模型 11
3.3.2 算法流程 11
3.3.3 算法流程图 11
3.3.4 光子数据结构 12
3.3.5 入射点的选取 12
3.3.6 光子的移动一个步长 12
3.3.7 光子是否在苹果内 13
3.3.8 反射点的计算 13
3.3.9 反射方向的计算 13
3.3.10 光子的终止 14
4 实验结果和数据分析 14
4.1 仿真结果可视化GUI 14
4.2 仿真结果可视化分析 14
4.3 漫反射光轨迹的最大深度和入射点的关系 15
4.4 漫反射光逃逸点的Kmeans聚类分析 17
5 总结与展望 17
5.1 总结 17
5.2 展望 18
致谢 18
参考文献 18 光子在苹果中传输的蒙特卡洛仿真
引言
1 绪论
1.1 研究背景
水果组织中光能量的分布对水果质量检测和品质分级具有重要意义，我国是水果生产大国，早期的品质分级主要依靠人工分拣，依据水果的外观（大小、颜色、形状等）存在效率低下和无法鉴定水果内部信息的问题。近年来，依据声学、光学、计算机技术和自动化控制理论，对生物组织进行无损检测的技术的迅速发展，水果品质检测技术由人工分拣逐渐转化为自动化检测。其中应用最广、效果最好的技术是光谱分析技术，其原理是用选定波长的光照射水果表面，光照射到水果后一系列的反射、散射和吸收。由于水果的特性和成分差异，对各个波段的光的吸收和散射作用各不相同，根据水果表面反透射光谱以及水果组织内部的光能量分布，可分析出水果的品质差异。
在生物组织中，影响光子传输的因子较多，是一个多维空间求解的问题，一般的数值计算方法过于复杂，计算量大无法直接求解，此时应用蒙特卡洛方法能够简化问题，得出期望的结果。目前很多关于光在水果组织中传输的研究都是基于多层模型的[1,2]，和真实的完整水果模型有一定的差距，对于光在曲面和复杂水果模型中的传输目前还尚未有定论。
1.2 研究内容与技术路线
1.2.1 研究内容
为了研究光子的传输过程，先从已有的多层组织模型入手，用MATLAB编写程序实现对光子在多层组织中传输的仿真，并考察实验结果的准确性。
从已有结果的论文中获取苹果组织的光学参数，在计算机上绘制苹果模型。实现光子在苹果组织传输的关键数据——步长、偏转角、权重衰减等的数值抽样。
尝试实现光子在苹果内部传输的仿真程序设计，并将光子运动轨迹可视化。
设计制作GUI界面，在苹果表面选取不同入射点，绘制相应的光子运动轨迹。
分析比较不同光学参数下和不同入射点下的光子运动轨迹，得出实验结论。
1.2.2 技术路线
首先学习MATLAB的有关知识，包括基础语法，3D建模，GUI等需要用到的知识。
因为研究的仿真算法是基于物理学的光学分支的，所以查阅文献了解光子传播的原理机制，特别关注了光的粒子性和基于该特性提出的光子输运理论。
（3）接下来编写程序对光子在层级组织中传输进行仿真，将实验结果和现有的标准进行对比调优，并具体学习理解该过程。
（4）在充分理解光子在层级组织中传输的蒙特卡洛仿真的基础上建立对苹果模型仿真的程序架构，在计算机上实现该算法，通过可视化显示光子传输过程，并判断实验结果的合理性。
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