具有時(shí)空連續(xù)性的真實(shí)感三維流體場景合成方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種具有時(shí)空連續(xù)性的真實(shí)感三維流體場景合成方法，該方法首先使用基于SFS的流體重建方法計(jì)算流體粒子的高度值，進(jìn)而根據(jù)高度梯度對三維場景進(jìn)行層次劃分；然后在不同層中分別對流體波成分提取，并進(jìn)行聚類，保證空間連續(xù)性；在對應(yīng)層中對所得的類成分進(jìn)行重排列及重定位，合成具有真實(shí)感的三維流體場景；對合成場景的過渡區(qū)域，采用對高度信息的平滑；建立高度與顏色的哈希映射表，對過渡區(qū)域粒子外觀進(jìn)行顏色重映射。對粒子的高度、顏色以及紋理坐標(biāo)信息進(jìn)行傳遞，從而得到了時(shí)序上連續(xù)的合成結(jié)果。本發(fā)明對于多種具有挑戰(zhàn)性的流體場景合成以及不同規(guī)模的流體場景合成時(shí)，能夠取得滿意的合成結(jié)果。
【專利說明】具有時(shí)空連續(xù)性的真實(shí)感三維流體場景合成方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種三維空間中真實(shí)感流體大場景合成方法，根據(jù)流體視頻的某一幀 高度信息合成大規(guī)模的三維虛擬流體場景，實(shí)時(shí)合成的流體場景具有時(shí)空連續(xù)性和真實(shí) 感，并且能夠保持原有視頻的全局特性。

【背景技術(shù)】
[0002] 流體自然景觀在客觀世界中隨處可見，流體場景合成被廣泛的應(yīng)用于計(jì)算機(jī)動 畫、電腦游戲、影視特技、軍事管理等領(lǐng)域。目前流體自然景觀的生成方法主要有兩類：圖形 學(xué)中基于流體物理運(yùn)動規(guī)律的仿真繪制方法和基于視頻圖像的流體場景的構(gòu)建。過去的幾 十年里，基于物理的研究方法一直是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域的活躍的研究課題，利用這些方法 進(jìn)行復(fù)雜流體場景仿真時(shí)，昂貴的計(jì)算代價(jià)限制了這些仿真的時(shí)空連續(xù)性。隨著仿真技術(shù) 的進(jìn)一步發(fā)展，出現(xiàn)了一些提高渲染速度建模方法：基于FFT(FastFourierTransform)的 方法、基于Perlin噪聲的方法、基于Gerstner模型的方法和基于分形的仿真方法。利用這 些方法構(gòu)建場景時(shí)，雖然可以準(zhǔn)確得到某一時(shí)刻流體的運(yùn)動狀態(tài)，由于巨大的運(yùn)算量和較 高的算法復(fù)雜度，難以在普通微型計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)大規(guī)模流體場景的實(shí)時(shí)仿真。
[0003] 目前，在基于視頻圖像的流體自然景觀繪制的研究中，缺乏與視頻媒體真實(shí)感一 致的流體建模和仿真。另外，隨著仿真技術(shù)的發(fā)展，流體仿真需要大規(guī)模場景，視頻能夠提 供流體場景的規(guī)模是有限的，因此，在實(shí)際仿真的應(yīng)用中，如何充分利用流體視頻的真實(shí)感 外觀及流體運(yùn)動信息合成所需規(guī)模的流體場景，其研究具有一定的現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)用價(jià)值。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的真實(shí)感差、實(shí)時(shí)性不強(qiáng)、規(guī)模有限等問題 而提供的一種具有時(shí)空連續(xù)性的真實(shí)感三維流體場景合成方法，利用該方法能在三維空間 中實(shí)時(shí)合成具有真實(shí)感的保留有原視頻全局特征的大規(guī)模的流體場景。
[0005] 本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：
[0006] -種具有時(shí)空連續(xù)性的真實(shí)感三維流體場景合成方法，該方法包括以下具體步 驟：
[0007] a)使用SFS獲取場景的高度信息，將三維空間的流體場景進(jìn)行分層。
[0008] 為了獲取三維空間的信息，我們使用SFS方法獲取流體視頻一幀的高度信息，從 而得到它的二維?目息。
[0009]為了使合成的場景更加真實(shí)，根據(jù)高度梯度將三維空間劃分為上下兩層，上層為 運(yùn)動較為劇烈的流體，下層則為較為平靜的流體。之后分別在每一層上執(zhí)行算法，保證流體 的運(yùn)動特征和隨機(jī)性。
[0010] 分層的具體步驟如下：
[0011] i )根據(jù)SFS得到的高度信息，按照式（6)計(jì)算粒子ρ (X，y)點(diǎn)的高度hs的梯度：
[0012] (6)
[0013] 其中g(shù)h表示粒子p的高度梯度，

【權(quán)利要求】
1. 一種具有時(shí)空連續(xù)性的真實(shí)感三維流體場景合成方法，其特征在于該方法包括以下 具體步驟： a) 使用SFS方法獲取原場景的高度信息，根據(jù)增強(qiáng)的高度梯度將三維空間的流體場景 分成上下兩層； 根據(jù)流體的高度信息，將運(yùn)動較為劇烈和平緩的流體分開，具體包括： i )按照式（6)計(jì)算每個(gè)粒子p (X，y)點(diǎn)的高度hs的梯度：
(6 ) 其中g(shù)h表示粒子P的高度梯度，
表示P在X軸方向的高度差分，
表示p在y軸 方向的高度差分； ii )按照式（7)對每個(gè)粒子的高度梯度進(jìn)行增強(qiáng)，使得運(yùn)動劇烈的流體粒子與運(yùn)動較 為平緩的流體粒子能夠便于區(qū)分； Sh = Shk (7) 其中k為增強(qiáng)因子； iii )遍歷每個(gè)粒子，求所有粒子高度梯度最大值gm和最小值gn ; iv )根據(jù)式（8)、（9)確定上、下兩層粒子的區(qū)間，并將粒子分層： [gn. gm~Sg (gm-gn) ) (8) [gm-sg(gm-gn), gj (9) 其中Sg為比例因子； b) 在原視頻幀的每層中進(jìn)行波成分提取與聚類 將流體表面每個(gè)獨(dú)立的成分稱為波成分；利用波的研究理論中3 σ法則，提取出每層 的波成分，并根據(jù)波成分之間的距離以及波成分的高度變化特征，對波成分進(jìn)行聚類處理， 具體包括： I)波成分提取 i )根據(jù)該層中高度信息，選取極高點(diǎn)作為波峰，獲取波峰的坐標(biāo)和高度信息； ii )在圖像設(shè)備坐標(biāo)系中，水平向右為X軸，垂直向下為Y軸，垂直XOY平面向上方法 為Z軸；高度采用歸一化的結(jié)果；根據(jù)3 〇法則，在XOY平面上，以波峰的投影作為中心，將 其X或Υ投影在式（1)所示區(qū)域的所有粒子，分離出來并將其作為一個(gè)波成分； (-1. 197hm, 1. 197hm) (1) 式中hm表示波峰的高度； iii)重復(fù)步驟i )、ii )將各層中波成分全部提取出來； Π )根據(jù)提取的波成分的信息對波成分聚類 i)計(jì)算任意兩個(gè)波的距離以及波峰的高度梯度； ii )如果兩個(gè)波的距離小于距離閾值Td，并且高度梯度差小于高度梯度閾值Tg，則將 這兩個(gè)波成分標(biāo)記為同一個(gè)類別； c) 利用類的標(biāo)記結(jié)果，通過波成分的重定位處理，在三維空間中合成流體場景設(shè)流體 場景在X軸和Y軸方向的放大規(guī)模分別為Rx和R y，具體合成步驟如下： i )利用在原場景每層中類標(biāo)記結(jié)果，以及原視頻幀與合成場景中粒子坐標(biāo)的對應(yīng)關(guān) 系，將合成場景劃分成多個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)一個(gè)類； ii )對應(yīng)合成場景中的任意一個(gè)區(qū)域氏的合成，先確定合成中心；如果氏是上、下、 左、右邊界之一，其合成中心計(jì)算為：
(2) 其中X)為區(qū)域Ri的合成中心，Η為視頻的垂直尺度，w為視頻的水平尺度； 如果Ri不是邊界區(qū)域，那么在Ri中選取一個(gè)隨機(jī)的位置作為其合成中心 如果氏所在的類為q，利用原場景中對應(yīng)的q類及其周圍波成分進(jìn)行合成；利用對應(yīng) Q類中所有波峰的位置均值作為它的類中心位置那么如果原場景中粒子的坐標(biāo) 為(.U:+)，合成粒子的坐標(biāo)為(?)，那么： X。= X' 一 X:-' + X.' (3 ) I 1 s 〇 V：* = V：' - ν'' + v'; (4) iii)重復(fù)步驟ii )，直到所有的區(qū)域都合成完畢； iv )對過渡區(qū)域的幾何進(jìn)行平滑；先求取邊界點(diǎn)的法相量，在法相量方向上對高度信 息進(jìn)行線性插值，在空域中產(chǎn)生連續(xù)的合成結(jié)果； v)根據(jù)高度與顏色之間的關(guān)系，建立輸入幀的高度和顏色之間的哈希表； 首先，求取原視頻幀的高度最大值Hx和最小值Hm，如果粒子高度為Hp，利用H p計(jì)算其對 應(yīng)的灰度值Gp :
(5) 其中L」表示向下取整； 將Gp作為哈希表的key值，并將該粒子的顏色作為哈希表的value值，從而得到高度 與顏色之間的哈希表； 然后，根據(jù)建立的哈希表以及插值平滑后的高度信息，對過度區(qū)域粒子的顏色進(jìn)行重 映射；如果高度值對應(yīng)多個(gè)哈希表中多個(gè)映射結(jié)果，則取它們中的任意一個(gè)進(jìn)行映射； vi )對于后繼幀處理時(shí)，傳遞流體視頻的顏色、高度及紋理坐標(biāo)信息，從而合成三維流 體場景序列。
【文檔編號】G06T17/00GK104050718SQ201410315413
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年7月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月3日
【發(fā)明者】全紅艷, 宋雅慧, 俞銘琪 申請人:華東師范大學(xué)