基于Snake模型的云拓扑变换检测方法
【专利摘要】本发明提供了基于Snake模型的云拓扑变换检测方法。所述方法采用粒子系统模拟生成云的序列图像，提取第一帧云图的初始轮廓，并使用Snake模型对该轮廓进行Snake变形，获取云图的目标轮廓，用前一帧云图的目标轮廓来初始化下一帧云图的轮廓；使用Snake模型对初始轮廓曲线进行Snake变形，使其收敛到图像中云团的目标轮廓位置；通过判断Snake轮廓曲线是否发生了分裂或者合并拓扑变换，来实现云的拓扑变换检测。本发明方法引入球体来模拟云的轮廓，通过改变球体的个数，可以实现不同形状的云的三维可视化。同时结合粒子系统，通过系统中每个粒子的运动来模拟云的动态效果；对预测短时强降水、冰雹、大风等灾害性天气具有很强的现实意义。
【专利说明】基于Snake模型的云拓扑变换检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于大气处理【技术领域】，具体指的是基于Snake模型的云拓扑变换检测方 法。
【背景技术】
[0002] 云是一种常见的大气现象，随着计算机可视化技术日益发展，云的计算机模拟仿 真逐渐成为可能，各国家都开始对此进行了大量的研究，并广泛应用于虚拟战场环境仿真、 飞行模拟仿真、游戏和动漫自然环境构建等领域，尤其是在气象预报研究中云的模拟仿真 显得更为重要。由于云团受周边气象环境因素的影响，在运动过程中其内部会发生很多物 理过程，其外部表现即为云的拓扑变换。云层主要包含的拓扑变换有分裂、合并、生成和消 失，其中云团的分裂和合并主要是由于云团复杂的对流扩散运动造成的，而云团的生成和 消失则由于云团演化或云团垂直上下运动引起的，且云拓扑变化过程中云的特征及降水情 况都会发生明显的改变，表现在云的强度增强，高度增加，尺度变宽，降水变大，闪电频数变 多等，故云团的拓扑变换常伴随着强对流的发生和发展，引发短时强降水、冰雹、大风等灾 害性天气。所以对云进行拓扑变换模拟和检测是非常有必要的。
[0003] 在近几十年中，Snake模型已经被广泛应用于图像分割和分类、目标识别、运动跟 踪、三维重建和立体视觉匹配等领域。
【发明内容】
[0004] 本发明所要解决的技术问题是为了克服现有技术的不足，提出基于Snake模型的 云拓扑变换检测方法。所说方法使用Snake模型实现了对云团运动的实时跟踪和拓扑变换 检测。
[0005] 为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
[0006] 基于Snake模型的云拓扑变换检测方法，包括步骤如下：
[0007] 步骤A，将粒子系统模拟生成的云的序列图像，并标记为L，...，IN，其中N为云图 序列图像的总数目；
[0008] 步骤B，选取第一帧云图即L中云团的初始轮廓，并使用Snake模型对该轮廓曲线 进行Snake变形，获得云图的目标轮廓，并将Snake目标轮廓曲线中的各个控制点组成的线 段标记为
[0009] 步骤C，提取上一帧图像中保留的Snake控制点，通过控制点获得前一帧云图云团 的目标轮廓线来初始化下一帧云图中的云团轮廓；
[0010] 步骤D，使用Snake模型对初始轮廓曲线进行Snake变形，使其收敛到图像中云团 的目标轮廓位置；
[0011] 步骤E，判断最终的目标Snake轮廓曲线是否发生了分裂；若云团发生分裂，则删 除体积较小的云团；
[0012] 步骤F，判断Snake轮廓曲线是否发生了合并；若云团发生了合并，则根据新生成 的Snake模型绘制云团。
[0013] 有益效果：本发明提供了基于Snake模型的云拓扑变换检测方法。所述方法采用 粒子系统模拟生成云的序列图像，提取第一帧云图的初始轮廓，并使用Snake模型对该轮 廓进行Snake变形，获取云图的目标轮廓，用前一帧云图的目标轮廓来初始化下一帧云图 的轮廓；使用Snake模型对初始轮廓曲线进行Snake变形，使其收敛到图像中云团的目标轮 廓位置；通过判断Snake轮廓曲线是否发生了分裂或者合并拓扑变换，来实现云的拓扑变 换检测。本发明方法引入球体来模拟云的轮廓，通过改变球体的个数，可以实现不同形状的 云的三维可视化。同时结合粒子系统，通过系统中每个粒子的运动来模拟云的动态效果；对 预测短时强降水、冰雹、大风等灾害性天气具有很强的现实意义。
【专利附图】
【附图说明】
[0014] 图1为本发明的基于Snake模型的云的拓扑变换检测算法的流程示意图。
[0015] 图2为Snake轮廓分裂过程图。
[0016] 图3为前一帧图像目标轮廓图。
[0017] 图4为后一帧图像初始轮廓图。
[0018] 图5为分裂后云层目标轮廓图。
[0019] 图6为合并前云层目标轮廓图。
[0020] 图7为合并后云层目标轮廓图。
【具体实施方式】
[0021] 下面将结合附图，列举具体实施例，对本发明基于Snake模型的云拓扑变换检测 方法作进一步地详细描述：
[0022] 本发明提供了基于Snake模型的云拓扑变换检测方法，首先用粒子系统模拟生成 云的序列图像；再手动提取第一帧云图云团的初始轮廓，并使用Snake模型对该轮廓曲线 进行Snake变形，获取云图的目标轮廓，并标记Snake轮廓曲线中的各个控制点组成的线 段；提取上一帧图像中保留的Snake控制点，用前一帧云图云团的目标轮廓来初始化下一 帧云图中的云团轮廓；使用Snake模型对初始轮廓曲线进行Snake变形，使其收敛到图像中 云团的目标轮廓位置；判断Snake轮廓曲线是否发生了分裂或者合并拓扑变换，如果发生 分裂，则删除体积较小的云团，如果发生合并，则直接根据新生成的Snake模型绘制云团； 由此实现云的拓扑变换检测。该发明对预测短时强降水、冰雹、大风等灾害性天气具有很强 的现实意义。图1为算法的整体流程图，其中可分为云层的分裂检测和云层的合并检测。
[0023] 云层的分裂检测包括以下几个步骤：
[0024] 1)首先根据云的外形选取云团初始轮廓的控制点，共13个控制点，依次为点p0? 点P12,如图2所示，然后应用Snake模型对初始轮廓曲线进行变形得到目标轮廓曲线，并保 存最终的Snake控制点
[0025] 2)提取1)中获得的目标轮廓曲线，将其作为图像序列中下一帧图像中云团的初 始轮廓曲线，如图4所示。
[0026] 3)对图4进行Snake变形，得出图5中的目标轮廓，图中的数字1?15为选取的 Snake控制点的标号，观察可知，点4和点12重合，点5与点11重合，即图2 (a)中线段4-5 和线段11-12重叠，故发生分裂，如图2(b)所示。去除重叠线段即可得到分裂后的两个独 立的Snake模型。
[0027] 云层的合并检测包括以下几个步骤：
[0028] 1)如图6所示为图像序列中前一帧图像中两个云团经过Snake模型变形后形成 的目标轮廓曲线，其中第一个Snake模型轮廓曲线记为Si，其Snake控制点的序号为1?7 号，第二个Snake模型的轮廓曲线记为S2，其Snake控制点的编号为8?14号。
[0029] 2)由图7可知，云层在运动过程中发生了合并，它们的Snake轮廓曲线也同时发生 了合并变换。图7中Si中的线段6-7与S 2中的线段8-14相交，直到Si中的线段7-1与S2 中的线段8-9相交，故Si中的线段6-7和7-1都属于S2，而S2中的线段8-14和8-9都属于 Si，故Si和S 2发生了合并。
[0030] 气象工作者根据云层的拓扑变化能够及时地发现强对流空气现象的发生，从而有 效地做好防雷、防暴雨等自然灾害的预防工作。
【权利要求】
1.基于Snake模型的云拓扑变换检测方法，其特征在于，包括步骤如下： 步骤A，将粒子系统模拟生成的云的序列图像，并标记为L，...，IN，其中N为云图序列 图像的总数目； 步骤B，选取第一帧云图即L中云团的初始轮廓，并使用Snake模型对该轮廓曲线进行 Snake变形，获得云图的目标轮廓，并将Snake目标轮廓曲线中的各个控制点组成的线段标 记为K; 步骤C，提取上一帧图像中保留的Snake控制点，通过控制点获得前一帧云图云团的目 标轮廓线来初始化下一帧云图中的云团轮廓； 步骤D，使用Snake模型对初始轮廓曲线进行Snake变形，使其收敛到图像中云团的目 标轮廓位置； 步骤E，判断最终的目标Snake轮廓曲线是否发生了分裂；若云团发生分裂，则删除体 积较小的云团； 步骤F，判断Snake轮廓曲线是否发生了合并；若云团发生了合并，则根据生成的Snake 模型绘制云团。
【文档编号】G06T7/00GK104299227SQ201410488034
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2014年9月22日 优先权日:2014年9月22日
【发明者】毕硕本, 曾晓文, 潘秋羽, 毕胜杰, 路明月 申请人:南京信息工程大学