具有时空连续性的真实感三维流体场景合成方法
【专利摘要】本发明公开了一种具有时空连续性的真实感三维流体场景合成方法，该方法首先使用基于SFS的流体重建方法计算流体粒子的高度值，进而根据高度梯度对三维场景进行层次划分；然后在不同层中分别对流体波成分提取，并进行聚类，保证空间连续性；在对应层中对所得的类成分进行重排列及重定位，合成具有真实感的三维流体场景；对合成场景的过渡区域，采用对高度信息的平滑；建立高度与颜色的哈希映射表，对过渡区域粒子外观进行颜色重映射。对粒子的高度、颜色以及纹理坐标信息进行传递，从而得到了时序上连续的合成结果。本发明对于多种具有挑战性的流体场景合成以及不同规模的流体场景合成时，能够取得满意的合成结果。
【专利说明】具有时空连续性的真实感三维流体场景合成方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种三维空间中真实感流体大场景合成方法，根据流体视频的某一帧 高度信息合成大规模的三维虚拟流体场景，实时合成的流体场景具有时空连续性和真实 感，并且能够保持原有视频的全局特性。
【背景技术】
[0002] 流体自然景观在客观世界中随处可见，流体场景合成被广泛的应用于计算机动 画、电脑游戏、影视特技、军事管理等领域。目前流体自然景观的生成方法主要有两类：图形 学中基于流体物理运动规律的仿真绘制方法和基于视频图像的流体场景的构建。过去的几 十年里，基于物理的研究方法一直是计算机图形学领域的活跃的研究课题，利用这些方法 进行复杂流体场景仿真时，昂贵的计算代价限制了这些仿真的时空连续性。随着仿真技术 的进一步发展，出现了一些提高渲染速度建模方法：基于FFT(FastFourierTransform)的 方法、基于Perlin噪声的方法、基于Gerstner模型的方法和基于分形的仿真方法。利用这 些方法构建场景时，虽然可以准确得到某一时刻流体的运动状态，由于巨大的运算量和较 高的算法复杂度，难以在普通微型计算机上实现大规模流体场景的实时仿真。
[0003] 目前，在基于视频图像的流体自然景观绘制的研究中，缺乏与视频媒体真实感一 致的流体建模和仿真。另外，随着仿真技术的发展，流体仿真需要大规模场景，视频能够提 供流体场景的规模是有限的，因此，在实际仿真的应用中，如何充分利用流体视频的真实感 外观及流体运动信息合成所需规模的流体场景，其研究具有一定的现实意义和实用价值。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是针对现有技术中存在的真实感差、实时性不强、规模有限等问题 而提供的一种具有时空连续性的真实感三维流体场景合成方法，利用该方法能在三维空间 中实时合成具有真实感的保留有原视频全局特征的大规模的流体场景。
[0005] 本发明的目的是这样实现的：
[0006] -种具有时空连续性的真实感三维流体场景合成方法，该方法包括以下具体步 骤：
[0007] a)使用SFS获取场景的高度信息，将三维空间的流体场景进行分层。
[0008] 为了获取三维空间的信息，我们使用SFS方法获取流体视频一帧的高度信息，从 而得到它的二维?目息。
[0009]为了使合成的场景更加真实，根据高度梯度将三维空间划分为上下两层，上层为 运动较为剧烈的流体，下层则为较为平静的流体。之后分别在每一层上执行算法，保证流体 的运动特征和随机性。
[0010] 分层的具体步骤如下：
[0011] i )根据SFS得到的高度信息，按照式（6)计算粒子ρ (X，y)点的高度hs的梯度：
[0012] (6)
[0013] 其中gh表示粒子p的高度梯度，
【权利要求】
1. 一种具有时空连续性的真实感三维流体场景合成方法，其特征在于该方法包括以下 具体步骤： a) 使用SFS方法获取原场景的高度信息，根据增强的高度梯度将三维空间的流体场景 分成上下两层； 根据流体的高度信息，将运动较为剧烈和平缓的流体分开，具体包括： i )按照式（6)计算每个粒子p (X，y)点的高度hs的梯度：
(6 ) 其中gh表示粒子P的高度梯度，
表示P在X轴方向的高度差分，
表示p在y轴 方向的高度差分； ii )按照式（7)对每个粒子的高度梯度进行增强，使得运动剧烈的流体粒子与运动较 为平缓的流体粒子能够便于区分； Sh = Shk (7) 其中k为增强因子； iii )遍历每个粒子，求所有粒子高度梯度最大值gm和最小值gn ; iv )根据式（8)、（9)确定上、下两层粒子的区间，并将粒子分层： [gn. gm~Sg (gm-gn) ) (8) [gm-sg(gm-gn), gj (9) 其中Sg为比例因子； b) 在原视频帧的每层中进行波成分提取与聚类 将流体表面每个独立的成分称为波成分；利用波的研究理论中3 σ法则，提取出每层 的波成分，并根据波成分之间的距离以及波成分的高度变化特征，对波成分进行聚类处理， 具体包括： I)波成分提取 i )根据该层中高度信息，选取极高点作为波峰，获取波峰的坐标和高度信息； ii )在图像设备坐标系中，水平向右为X轴，垂直向下为Y轴，垂直XOY平面向上方法 为Z轴；高度采用归一化的结果；根据3 〇法则，在XOY平面上，以波峰的投影作为中心，将 其X或Υ投影在式（1)所示区域的所有粒子，分离出来并将其作为一个波成分； (-1. 197hm, 1. 197hm) (1) 式中hm表示波峰的高度； iii)重复步骤i )、ii )将各层中波成分全部提取出来； Π )根据提取的波成分的信息对波成分聚类 i)计算任意两个波的距离以及波峰的高度梯度； ii )如果两个波的距离小于距离阈值Td，并且高度梯度差小于高度梯度阈值Tg，则将 这两个波成分标记为同一个类别； c) 利用类的标记结果，通过波成分的重定位处理，在三维空间中合成流体场景设流体 场景在X轴和Y轴方向的放大规模分别为Rx和R y，具体合成步骤如下： i )利用在原场景每层中类标记结果，以及原视频帧与合成场景中粒子坐标的对应关 系，将合成场景划分成多个区域，每个区域对应一个类； ii )对应合成场景中的任意一个区域氏的合成，先确定合成中心；如果氏是上、下、 左、右边界之一，其合成中心计算为：
(2) 其中X)为区域Ri的合成中心，Η为视频的垂直尺度，w为视频的水平尺度； 如果Ri不是边界区域，那么在Ri中选取一个随机的位置作为其合成中心 如果氏所在的类为q，利用原场景中对应的q类及其周围波成分进行合成；利用对应 Q类中所有波峰的位置均值作为它的类中心位置那么如果原场景中粒子的坐标 为(.U:+)，合成粒子的坐标为(?)，那么： X。= X' 一 X:-' + X.' (3 ) I 1 s 〇 V：* = V：' - ν'' + v'; (4) iii)重复步骤ii )，直到所有的区域都合成完毕； iv )对过渡区域的几何进行平滑；先求取边界点的法相量，在法相量方向上对高度信 息进行线性插值，在空域中产生连续的合成结果； v)根据高度与颜色之间的关系，建立输入帧的高度和颜色之间的哈希表； 首先，求取原视频帧的高度最大值Hx和最小值Hm，如果粒子高度为Hp，利用H p计算其对 应的灰度值Gp :
(5) 其中L」表示向下取整； 将Gp作为哈希表的key值，并将该粒子的颜色作为哈希表的value值，从而得到高度 与颜色之间的哈希表； 然后，根据建立的哈希表以及插值平滑后的高度信息，对过度区域粒子的颜色进行重 映射；如果高度值对应多个哈希表中多个映射结果，则取它们中的任意一个进行映射； vi )对于后继帧处理时，传递流体视频的颜色、高度及纹理坐标信息，从而合成三维流 体场景序列。
【文档编号】G06T17/00GK104050718SQ201410315413
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年7月3日 优先权日:2014年7月3日
【发明者】全红艳, 宋雅慧, 俞铭琪 申请人:华东师范大学