[发明专利]一种用于模拟光子传播的快速蒙特卡洛仿真方法

说明书

本发明属于光学领域，公开了一种用于模拟光子传播的快速蒙特卡洛仿真方法，该方法利用光子传播仿真结果训练数据库和生成对抗网络所获取的重建模型，从仅需输入少量光子且耗时较少的粗糙光子传播仿真结果，重建精细的光子传播仿真结果，在保证光子传播仿真精度的前提下极大地减少了仿真的时间消耗，因此具有重要的应用价值。

技术领域

本发明属于光学领域，涉及一种用于模拟光子传播的快速蒙特卡洛仿真方法。

背景技术

蒙特卡洛仿真是一种基于物理量重复随机抽样的方法，它常被用于解决因随机变量的介入而过于复杂或用其它数学模型无法解决的问题。蒙特卡洛仿真由于其高度的灵活性和精确度，已成为仿真复杂结构介质中光子传播的最常用手段，尤其适用于模拟光子在生物组织中的传播。在蒙特卡洛仿真过程中，每个光子的随机传播结果将被记录下来，并做平均处理后，得到一个估计值，因此蒙特卡洛仿真理论上能够达到任何期望的仿真精度。但是，为了实现更高的仿真精度，通常需要更多数量的光子用于仿真，这将会导致计算量成倍的增长。蒙特卡洛仿真的时间效率问题已成为影响其仿真精度的主要限制，如何在保证仿真精度的前提下提高仿真速度已成为蒙特卡洛仿真领域亟需解决的关键技术瓶颈。

发明内容

针对现有蒙特卡洛仿真技术中存在的不足，本发明提出了一种用于模拟光子传播的快速蒙特卡洛仿真方法。该方法利用光子传播仿真结果训练数据库和基于生成对抗网络的重建模型，从仅需输入少量光子且耗时较少的粗糙光子传播仿真结果，重建精细的光子传播仿真结果，在保证光子传播仿真结果质量的前提下极大地减少了仿真的时间消耗。

本发明的技术方案为：

一种用于模拟光子传播的快速蒙特卡洛仿真方法，该方法通过生成大量成对的粗糙的和精细的光子传播仿真结果，建立光子传播仿真结果训练数据库；利用该训练数据库和生成对抗网络方法，训练从粗糙的光子传播仿真结果到精细的光子传播仿真结果的重建模型。在实际应用中，基于少量光子在仿真耗时较短的情况下，获得粗糙的光子传播仿真结果，利用上述训练好的重建模型，从粗糙的光子传播仿真结果重建精细的光子传播仿真结果。

具体步骤如下：

步骤一、建立光子传播仿真结果训练数据库。使用相同的光学参数，分别基于少量光子和大量光子进行经典的蒙特卡洛仿真，生成一对粗糙的和精细的光子传播仿真结果；调整不同的光学参数，重复上述蒙特卡洛仿真过程，生成大量成对粗糙的和精细的光子传播仿真结果，并建立光子传播仿真结果训练数据库。

步骤二、训练从粗糙的光子传播仿真结果到精细的光子传播仿真结果的重建模型。利用生成对抗网络方法，从步骤一中所获得的光子传播仿真结果训练数据库中学习重建模型。生成对抗网络包含生成器和鉴别器，生成器用于从步骤一获得的粗糙的光子传播仿真结果重建精细的光子传播仿真结果，让鉴别器难以分辨重建的精细的光子传播仿真结果和真实的步骤一获得的精细光子传播仿真结果；而鉴别器用于鉴别光子传播仿真结果，尽可能地辨别出重建的精细的光子传播仿真结果和真实的步骤一获得的精细光子传播仿真结果；通过生成器和鉴别器的动态博弈过程，最终获得优化的重建模型。

步骤三、从粗糙的光子传播仿真结果重建精细的光子传播仿真结果。输入少量光子进行经典的蒙特卡洛仿真，在耗时较短的情况下获得粗糙的光子传播仿真结果；随后利用步骤二中训练好的重建模型，从粗糙的光子传播仿真结果重建精细的光子传播仿真结果，该重建的光子传播仿真结果接近真实的精细光子传播仿真结果。

本发明的有益效果为，提出了一种用于模拟光子传播的快速蒙特卡洛仿真方法，在保证光子传播仿真精度的前提下，可极大地减少了蒙特卡洛仿真的时间消耗。此外，本发明具有较好的兼容性，可以与其它的蒙特卡洛仿真加速方式相结合，如联合图形处理器(GPU)并行运算进一步加快仿真速度。因此，本发明可有效解决限制蒙特卡洛仿真实际应用的关键瓶颈，具有重要的应用价值。

附图说明

图1是用于模拟光子传播的组织模型示意图。