專利名稱：基于單視點圖像的煙霧三維密度場的生成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于計算機動畫領(lǐng)域，具體地說，是一種基于單視點圖像生成煙霧三維密度場的方法。
背景技術(shù)：
真實感物體的建模與繪制一直是圖形學(xué)研究的重點，也是虛擬現(xiàn)實等應(yīng)用的核心內(nèi)容。近年來，基于相機的真實物體建模和重建方法成為了計算機圖形學(xué)及計算機視覺領(lǐng)域的活躍的研究熱點?；趫D像的建模具有較高的真實感，尤其對于復(fù)雜的自然現(xiàn)象，如樹木和花朵的幾何形狀、人的頭發(fā)和皮膚的反射屬性、人以及衣物的運動等。這些現(xiàn)象或物體由于其復(fù)雜性，往往很難高效而真實的通過解析式、數(shù)學(xué)模型等傳統(tǒng)的建模方式來建模。參與介質(zhì)，如煙、霧、大氣等，在虛擬環(huán)境中可以充分的增強場景的真實感。光線在參與介質(zhì)中傳播，經(jīng)歷了豐富而復(fù)雜的光照變化，給人以強烈的真實感和沉浸感。目前，針對固態(tài)物體的幾何建模技術(shù)已經(jīng)取得了很多研究成果；而對于具有動態(tài)流體特性的參與介質(zhì)如煙霧的建模工作相比前者則較少。研究真實世界中煙霧的視覺獲取和建模的理論方法與關(guān)鍵技術(shù)，對促進(jìn)真實感屬性建模在數(shù)字化技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價值。參與介質(zhì)的建模與繪制是近年來計算機圖形學(xué)領(lǐng)域的熱點和難點。對于非均勻的參與介質(zhì)，如運動的煙，其建模方式長久以來主要是基于物理模擬。根據(jù)初始狀態(tài)和物理方程，用數(shù)值計算的方法得出每一時間節(jié)點上煙的密度場數(shù)據(jù)。其缺點也是非常明顯的，一方面數(shù)值方法計算量大，每一幀需要解偏微分方程，而且對于參數(shù)很敏感；另一方面，對于運動的煙的復(fù)雜的細(xì)節(jié)特征，模擬的方法無法詳細(xì)的表現(xiàn)出來?；趫D像的方法對這些方面的處理具有先天的優(yōu)勢，直接去采集和捕捉真實的介質(zhì)，可以完整的保留真實現(xiàn)象或真實物體中豐富的復(fù)雜細(xì)節(jié)，而且計算強度也小于或相當(dāng)于基于物理的數(shù)值模擬的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于單視點圖像的煙霧三維密度場的生成方法，使用從單視點采集的煙霧數(shù)據(jù)，通過過程化的方法，構(gòu)建煙霧的三維密度場，實現(xiàn)對煙霧的建模。該方法的另一目的是提供一種方便、快速的煙霧建模方式，實現(xiàn)了對真實環(huán)境中的煙霧進(jìn)行快速建模。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提出一種基于單視點圖像的煙霧三維密度場的生成方法，具體的做法如下1)對已有的煙霧數(shù)據(jù)采用圖像分割的方法分割為局部煙霧；2)針對每個局部煙霧計算該部分煙霧的主方向和輪廓基函數(shù)；3)利用過程化的方法根據(jù)每個局部煙霧的主方向和輪廓基函數(shù)生成局部煙霧的三維密度場；4)對生成的三維密度場進(jìn)行平滑過渡，生成連續(xù)的煙霧三維密度場。
上述技術(shù)方案中，步驟1)中，已有的煙霧數(shù)據(jù)是通過單個圖像采集設(shè)備從單個視點方向采集得到的。上述技術(shù)方案中，步驟幻中，包括針對局部煙霧計算該部分煙霧的主方向和輪廓基函數(shù)的方法。上述技術(shù)方案中，步驟幻中，根據(jù)每個局部煙霧的主方向和輪廓基函數(shù)生成局部煙霧的三維密度場的過程化的方法。上述技術(shù)方案中，步驟4)中，所述的過渡包括對存在轉(zhuǎn)換關(guān)系的煙霧數(shù)據(jù)分別進(jìn)行時間和空間的平滑過渡。本發(fā)明的優(yōu)點在于1、數(shù)據(jù)采集簡單，只用單個相機從一個視點采集煙霧數(shù)據(jù)即可；2、處理時間快速，可以實時生成煙霧三維密度場。


圖1示出本發(fā)明的實施流程圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。本發(fā)明的主要流程圖如圖1所示，具體步驟如下(1)對已有的煙霧數(shù)據(jù)采用圖像分割的方法分割為局部煙霧。其中，已有的煙霧數(shù)據(jù)是通過單個圖像采集設(shè)備從單個視點方向采集得到的。這里的圖像采集設(shè)備可以是數(shù)碼相機、攝像機或高速相機。圖像分割方法步驟包括三個步驟1. 1，由采集得到的煙霧圖像數(shù)據(jù)計算二值圖，并根據(jù)二值圖經(jīng)過距離變換計算得到距離圖，方法為由邊界處向內(nèi)部依次賦值，待賦值像素點的距離值為其相鄰像素點中已知最大距離值加1，用以表示煙霧內(nèi)部像素點到煙霧邊界的距離；1.2，由距離圖得到局部煙霧的聚類點，方法為找到距離圖中具有局部極大值的點，這些點在周圍臨近區(qū)域內(nèi)的所有點中距離煙霧邊界最遠(yuǎn)，將這些點指定為聚類點；1. 3，利用聚類點將煙霧圖像進(jìn)行分割。在步驟(1)中，為了得到理想的連續(xù)煙霧三維密度場，在數(shù)據(jù)的采集過程中，可以盡可能使用高速相機進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。采集環(huán)境盡可能為單色背景，這樣做的目的是方便圖像分割步驟的操作，確保能夠得到理想的結(jié)果。(2)針對每個局部煙霧計算該部分煙霧的主方向和輪廓基函數(shù)。在該步驟中，針對每個局部煙霧計算該部分煙霧的主方向和輪廓基函數(shù)的方法如下首先，對局部煙霧圖像像素坐標(biāo)進(jìn)行采樣，對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析。得到的主方向即為所求該部分煙霧的主方向。將局部煙霧圖像空間變換到主方向坐標(biāo)系中，在變換后的新坐標(biāo)系中，煙霧圖像的主方向落在X軸上。在新坐標(biāo)系中對上/下邊界的像素點進(jìn)行采樣，并從中挑選出具有局部極大/極小值的像素點。對采樣結(jié)果進(jìn)行函數(shù)擬合，即得到輪廓基函數(shù)f+和f-，輪廓基函數(shù)表示主方向上的每個點到邊界的最大距離。
(3)利用過程化的方法根據(jù)每個局部煙霧的主方向和輪廓基函數(shù)生成局部煙霧的三維密度場。在該步驟中，利用過程化的方法根據(jù)每個局部煙霧的主方向和輪廓基函數(shù)生成局部煙霧的三維密度場的方法如下首先，對局部煙霧圖像中的任意點P (X，y)，計算具有相同χ坐標(biāo)值的y坐標(biāo)最小點(χ，ym)禾口最大點(χ，yM)。其次，由步驟(2)中得到的輪廓基函數(shù)f+和f_，對點P(x，y)計算f+(x)和f_(x)， 得到主方向到上下邊界的距離對點ρ (x, y)插值(ym, Γ (χ))和(yM, f+ (χ))
權(quán)利要求
1.一種基于單視點圖像的煙霧三維密度場的生成方法，其特征在于包括以下步驟1)對已有的煙霧數(shù)據(jù)采用圖像分割的方法分割為局部煙霧；2)針對每個局部煙霧計算該部分煙霧的主方向和輪廓基函數(shù)；3)利用過程化的方法根據(jù)每個局部煙霧的主方向和輪廓基函數(shù)生成局部煙霧的三維密度場；4)對生成的三維密度場進(jìn)行平滑過渡，生成連續(xù)的煙霧三維密度場。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于單視點圖像的煙霧三維密度場的生成方法，其特征在于已有的煙霧數(shù)據(jù)是通過單個圖像采集設(shè)備從單個視點方向采集得到的。
3.按照權(quán)利要求1所述的基于單視點圖像的煙霧三維密度場的生成方法，其特征在于步驟幻中，針對局部煙霧計算該部分煙霧的主方向和輪廓基函數(shù)的方法為首先對煙霧圖像進(jìn)行圖形分割；然后對局部煙霧采樣進(jìn)行主成分分析，計算出主方向；并根據(jù)主方向生成輪廓基函數(shù)。
4.按照權(quán)利要求1所述的基于單視點圖像的煙霧三維密度場的生成方法，其特征在于步驟幻中，根據(jù)每個局部煙霧的主方向和輪廓基函數(shù)生成局部煙霧的三維密度場的過程化的方法是根據(jù)煙霧圖像，對判定為煙霧內(nèi)部的點由輪廓基函數(shù)計算出該點到主方向的距離，然后計算出該點的深度信息，得到三維密度場。
5.按照權(quán)利要求1所述的基于單視點圖像的煙霧三維密度場的生成方法，其特征在于步驟4)中所述的平滑過渡包括對存在轉(zhuǎn)換關(guān)系的煙霧數(shù)據(jù)分別進(jìn)行時間和空間的平滑過渡。
全文摘要
本發(fā)明是基于單視點圖像的煙霧三維密度場的生成方法，利用從單視點拍攝的煙霧圖像數(shù)據(jù)，在計算機上實現(xiàn)對煙霧三維密度場的重新生成，從而創(chuàng)建煙霧的三維動畫。本方法包括對已有的煙霧數(shù)據(jù)采用圖像分割的方法分割為局部煙霧；針對每個局部煙霧計算該部分煙霧的主方向和輪廓基函數(shù)；利用過程化的方法根據(jù)每個局部煙霧的主方向和輪廓基函數(shù)生成局部煙霧的三維密度場；對生成的密度場進(jìn)行拼接，生成連續(xù)的煙霧三維密度場。本方法的優(yōu)點數(shù)據(jù)采集簡單，只用單個相機從一個視點采集煙霧數(shù)據(jù)即可；處理時間快速，可以實時生成煙霧三維密度場。
文檔編號G06T13/60GK102496178SQ20111032854
公開日2012年6月13日 申請日期2011年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月26日
發(fā)明者劉征彥, 齊越 申請人:北京航空航天大學(xué)