基于视频的虚拟流体场景构建的关键技术
【摘要】 随着计算机技术的快速发展,流体场景的构建技术得到了广泛的应用。这一技术在国防,工业,娱乐,灾难防治以及日常生活中具有重要的应用价值。构建虚拟流体场景时,不仅需要流体丰富的真实感信息,同时,虚拟流体场景需要交互,因此流体场景三维信息是必不可少的。视频流体中含有真实感的纹理信息,研究中,充分利用了这些丰富的真实感信息进行构建。为了获得流体表面的三维结构,本文利用明暗恢复形状(SFS, Shape From Shading)方法对流体表面法向量进行计算,使用Stokes模型计算流体表面高度,快速、准确地计算出了流体的三维信息。为了得到真实感的效果,运用二维正态分布曲面拟合流体表面,对生成的水花映射相应的纹理,从而得到真实感的水花效果。由于流体视频只能提供有限的区域,利用该方法计算的三维流体场景大小受限于流体视频的分辨率,无法满足可变规模的流体场景构建的需求,因此需要进一步研究流体场景的合成方法。本文研究中利用流体表面粒子高度差分方法对高度场进行分层,使用以波成分为元素的k-means聚类方法,结合最小生成树(MST, Minimal Spanning Tree)生成较大的三维流体场景。为了获得真实感的交互效果,本文探索了基于时空连续性的流体场景交互技术,根据流体粒子的表面法向量,分析流体中物体的运动规律,进一步确定物体在流体中的法向量和深度位置,并计算了相邻帧间物体运动的最大角度,恢复出物体在流体中的运动状态,从而得到了基于时空连续性的流体场景交互结果,为流体场景构建技术在工程技术以及仿真领域中的进一步研究和应用奠定了基础。本文对流体场景构建的关键技术进行了研究,研究中充分利用了流体视频的真实感纹理信息,为提高自然场景下流体仿真和重建奠定了基础。文中的方法和成果对流体三维重建技术的进一步研究起到了重要的促进和推动作用。
第1章绪论
1.1研究背景及意义
基于视频的流体场景构建技术在工程应用、国防科技、灾害防治和电影特效制作中占有举足轻重的地位。与刚体的场景构建技术相比，它具有目的性强、特效性强和技术复杂度高的特点。
电影特效制作过程中，使用该技术进行场景绘制可以大幅度缩短制作特效的周期，同时对其专业性要求也大大降低。在工程应用方面，基于视频的流体三维重建技术可以很好的应用于各种实际领域。在灾难防治方面，通过真实的流体视频可以更好的分析流体的运动和受力分布情况，，使工作人员对将要发生的灾难作出较为准确的预测，减少洪漠灾害造成的重大财产损失。例如，在大型水利工程设计阶段，运用流体的三维重建技术模拟水流的变化是进一步分析受力情况的基础。在三维地形图的绘制中，该重建技术不仅能大大简化技术人员的工作量，更能有效地提高三维地形图中流体部分的绘制精度，。在军事仿真领域中，流体场景构建可以更好的模拟军事环境下流体运动的各种特性，减少战斗中的不必要伤亡情况。
1.2国内外研究现状
三维重建的主要思想是通过对视频或图片序列的处理，分析得到目标物体的三维信息。三维重建的主要方法有基于特征统计学习的方法，基于几何约束的方法和基于SFS的方法。基于特征统计学习的方法首先需要针对特定重建物体建立大型的数据库，接着通过统计模式识别的方法与数据库中目标匹配，最后使用纹理映射或插值方法进行三维重建。由于该方法需要先建立大型数据库，且自然界中流体形态千变万化，因此该方法在此类问题中很难得到具体的应用。基于几何约束信息的方法首先要确定图像上物体的关键点和平行线，从而计算出灭点，接着利用灭点进行相机的标定，最后利用计算得到的摄像机内外参数恢复物体各点的三维坐标。因为在自然景观的流体中很难找到平行线以至于求不出灭点的位置，所以基于几何约束信息的方法同样难以运用在流体的三维重建中。
当然，对于流体的重建技术，人们曾进行了系统地探索。这方面研究的典型成果就是基于SFS的方法。SFS法利用光照在物体表面的强度变化，计算出物体表面的法向量，再根据各点的法向量恢复出该点的高度。法的优势是可以从单幅图像恢复出较精确的三维模型。
随着仿真技术的发展，所需构建的流体场景规模渐渐超出了视频能够提供场景大小，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，其研宄具有一定的现实意义和实用价值。
第2章相关技术基础
2.1光照模型基础
2.1.1漫反射光照模型
从明暗度恢复物体表面是计算机视觉研究中的一个热点问题。该方法通过输入图像中物体表面的明暗度变化信息来恢复物体的形状信息。
对实际图像而言，其表面点的亮度受到许多因素的影响，如光源，周围物体的反射、物体自身的折射、物体的材质还有物体的形状。针对如此复杂的环境因素，利用一般的数学公式很难完全描述，因此为了简化问题，传统的SFS方法对输入图像中的场景进行如下假设：
（1）光源的位置为无限远处，且光源类型为点光源。
（2）反射模型为朗伯体反射模型，即物体的表面为漫反射模型：
（3）输入图像的摄像机与物体表面的关系为正交投影。
不仅如此，现有的SFS方法基本上都假设所研究对象的表面高度函数是连续的，事实上，对于这一假设己经对被重建物体表面形状进行了约束。如此一来利用反射模型与一些己知条件就构成了SFS问题的正则化模型。
最小化方法是考虑输入图像中各种约束条件并与亮度约束联立组成能量方程来求解物体形状的方法。然而使用能量方程来搜索最小值，在初始条件未知的情况下，能量方程有时会有陷入局部极小值的情况发生。而当使用遮挡边界条件时，求取的表面会存在凹凸二义性，即难以判别被求取表面是凹的还是凸的。当使用奇异点作为边界条件时，虽然一定程度上避免了凹凸二义性的情况发生，但是奇异点由于是图像亮度最大值，因此极其容易受到噪声的影响，这一影响甚至会导致重建失败。不仅如此，最小化方法的存在计算量较大，收敛速度慢的特点，难以运用到实时性较高的工程项目中。
演化方法是已知图像中某一特定点的高度，或是某一特定区域的形状，通过对这些已知量进行优化控制，逐步演化出整个物体表面的形状信息。该算法的一个关键点是要已知一些物体的表面信息，因此对先验知识的过分依赖导致其无法应用于未知物体的表面高度重建。此外，演化方法也对于图像中的光照误差非常敏感，因此不适用于复杂物体和噪声较大的图像。
2.2流体高度场计算方法及存在的问题
计算流体自然场景高度场是计算机视觉中一个基础性研究问题，它依据从自然场景中获取的流体视频或图像素材，通过分析和处理视频和图像中丰富的像素信息，达到自动的计算出流体场景的三维场景的效果。利用视频构建的虚拟场景具有真实感强的特点，由于视频中含有丰富、真实的景观纹理，使得虚拟场景更加逼真且流体运动更加符合物理规律，因此利用视频中流体信息对于虚拟场景的构建是合理的、必要的。
动态的流体粒子是一种在空间上反复，在时间上不断变化的运动粒子，自然场景中的流体粒子存在遮挡与重现的现象，他们的运动规律复杂且多变，整体的运动规则不符合刚体的运动特征。同时，在自然场景中频繁变化的外部环境，光照强度以及流体表面的反射与折射都给重建工作带来一定的困难。
传统的三维重建方法包括单目视觉方法、双目视觉方法以及从运动恢复物体结构方法，他们都是面向静止场景或物体的重建方法。通过一幅、多幅图像或视频，准确匹配图像或视频素材中被重建物体的特征点、恢复摄像机的内外参数，，再对目标物体进行重建。而在重建过程中，图像采集造成的外部误差，以及特征点匹配与内外参数的恢复过程中产生的内部误差会在重建过程中相互影响，常常使重建的结果与实际结果相差甚远。而自然场景中流体粒子的运动特性表明，内部误差相对于静止刚体的重建来说更大。虽然可以使用集束调整等方法迭代地减少内部误差，然而在大多数情况下，流体场景重建的内部误差是不可控的，利用传统方法重建的结果也是难以接受的。
目前，随着流体重建研究的深入，一些学者发现利用SFS方法对流体表面进行重建可以达到令人满意的效果。利用该方法进行高度场计算，一方面利用流体表面的明暗变化更能反映流体表面的粒子运动规律，另一方面使用不同的初始计算条件也规避了特征点匹配以及内外参数恢复等过程带来的内部误差。
第3章流体高度场的计算...........11
3.1流体高度场计算方法及存在的问题.......11
3.2基于SFS的流体高度场计算......12
第4章流体场景合成技术的研究........31
4.1流体场景合成问题及分析...........31
4.2流体场景合成的关键技术......31
第5章流体场景构建技术的应用........50
5.1流体场景交互存在的问题及分析.........50
5.2基于时空连续性的流体场景交互技术........51
第5章流体场构建技术的应用
5.1流体场景交互存在的问颶及分析
流体的运动描述问题仍然是当今科学界的一大难题。物理学家和数学家深信，无论是平流，微风，烟雾还是瑞流，都可以通过理解纳维斯托克斯方程的解，来对它们进行预言和说明。虽然这些方程是19世纪写下的，我们对它们的理解仍然极少。挑战在于，对数学理论作出实质性的进展，使我们能解开隐藏在其中深层的奥秘。
作为流体运动描述的一个重要部分，流体与其他物体之间的交互问题仍然需要进一步探索，虽然针对单一自然场景下简单的流体运动演示已经足以满足视频和动画制作的需求。然而随着计算机仿真，军事仿真和虚拟现实技术的快速发展，构建出具备一定交互能力的流体场景渐渐成为这些领域的关键问题。
计算机领域的研究者们曾针对虚拟场景中流体的交互进行了深入的研究。当下主流的方法是基于N-S方程的有限元法，以及基于流体表面粒子的法向量交互法。N-S方程的有限元法，是一种交互与模拟相结合的方法，即利用粒子模拟出流体表面的物理运动过程。同时由于预先己经界定了粒子的运动规律和特征，使得流体粒子与其他物体的交互转变为粒子与粒子的交互与碰撞。然而，该方法的模拟的流体表面不是一个连续的曲面，在流体剧烈运动时，会产生交互物体的时空不连续的情况发生，从而影响交互的真实感。不仅如此，该方法只能应用于有限规模的场景下，对于较大规模的流体场景，限于计算能力和边缘碰撞因素的制约，很难得到令人满意的时间性能。因此难以在实时要求较高的平台中推广。
第6章总结与展望
6.1论文总结
本文从自然场景中流体重建的应用需求和研究的关键技术出发，依据计算机视觉中利用明暗度恢复物体结构理论、聚类方法以及粒子绘制与仿真方法，围绕自然场景中流体三维重建技术，流体场景合成技术和流体与刚体交互技术进行了研究。
本文的主要工作有以下几个方面：
1.研究了一种新的利用明暗度对视频中流体进行三维重建的方法，该方法克服了现有的从运动恢复结构方法中的特征点匹配以及内外参数恢复时误差较大的问题，同时大大加快了重建的速度。
2.研究了一种流体表面真实感的优化方法，利用二维正态分布函数曲面，结合Stokes波等物理模型，在满足实时性的条件下，对重建的流体表面进行增加真实感效果的优化处理。实现了瑞急流体的水花飞溅的效果。
3.在流体场景重建的基础上，探究了一种流体场景合成的方法，利用聚类策略和MST方法相结合进行研究，进一步结合流体表面的纹理信息，探索了一种新的纹理重映射策略，实现了实时生成三维流体大场景的目的。
4.结合自然场景中的流体重建表面和流体运动规律，提出一种基于时空连续性的流体交互策略，从而为虚拟流体场景构建的实际应用奠定了基础。
参考文献（略）
本文编号：19353
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/jisuanjikexuelunwen/19353.html
