[發明專利]一種基于采樣數據的動態水面重建方法

有效

• 申請號: 201310616867.5
• 申請日: 2013-11-27
• 公開（公告）號: CN103700138A
• 公開（公告）日: 2014-04-02
• 發明（設計）人: 周忠;吳威;賴志堅;邵緒強
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G06T17/00
• 分類號: G06T17/00;G06T7/00
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 孟卜娟;李新華

技術領域

本發明屬于計算機虛擬現實技術領域，具體涉及一種基于采樣數據的動態水面重建方法。

背景技術

在計算機圖形學和視覺領域，人們一直試圖利用計算機再現周圍的真實世界。液體，特別是水，作為一種基本的自然元素，是現實生活中常見的物質。在計算機中建模生成逼真的液體模型在電影特效、游戲娛樂、模擬培訓、災情預演等方面都有很高的應用價值。

基于物理的流體模擬研究一直是計算機圖形學中的一個熱點。這類方法以計算流體力學（CFD）為基礎，通過計算機數值求解的方式求解描述流體運動的物理方程，得到每一時刻流體的運動狀態。經過二三十年的發展，基于物理的流體模擬方法已經可以模擬比較復雜的流體運動，模擬結果細節豐富，效果也越來越逼真。但是，這類方法也存在不少缺點，比如計算復雜度高、數值誤差累積等，而且該方法求解的物理方程也不能完全描述真實世界中液體的所有運動形態。

重建真實世界中的三維物體或現象是計算機視覺中一個非常重要的研究方向。近年來有人開始研究用基于圖像的重建方法對液體進行建模。這類方法通常用多個相機在不同位置捕獲液體運動的圖像，然后用基于圖像的建模方法從圖像重建得到每一幀對應的液體三維模型。但液體屬于非朗伯體，光線在表面會發生高光反射、折射等現象，而且液體本身時變劇烈，因此液體的重建是一個非常具有挑戰性的工作。目前這類方法有了一些成果，已經可以重建運動平緩的液體場景。這類方法的數據來源于真實世界，因此重建結果比較真實。通常基于液體的折射屬性，從圖像角度出發進行重建，每個時刻多個相機共同參與重建得到一個模型直接輸出。

基于上述背景，本發明提出一種基于采樣數據的動態水面重建方法。多個相機兩兩分成多組后進行重建，重建得到的水面高度場之間進行加權融合，以減少不同相機圖像噪聲帶來的重建誤差。融合得到的水面高度場進一步用于驅動基于物理的淺水方程模擬過程，以結合兩者的優勢，生成有真實數據支撐而且細節豐富的最終重建結果高度場。另外，每組相機重建的方法從體素角度出發而非圖像，計算效率更高。

發明內容

本發明的目的是：克服基于圖像重建方法和基于物理模擬方法的一些局限性，提出一種基于采樣數據的動態水面重建方法，可以生成有真實數據支撐且細節豐富的水面模型。

為完成本發明的目的，本發明采用的技術方案是：一種基于采樣數據的動態水面重建方法，使用多個相機采集動態水面數據，相機兩兩分組，每組相機用體素細分剔除的方法重建水面高度場，得到的多個水面高度場之間進行加權融合，得到水面融合高度場，水面融合高度場進一步驅動基于物理的淺水方程模擬過程，生成既有真實數據支撐又有豐富細節效果的重建結果高度場；其特征在于包括如下步驟：

（1）搭建多相機的動態水面數據采集裝置，已知大小的黑白棋盤格板緊貼于水底，多個相機置于水面上方周圍不同視角，固定相機位置保證每個相機可拍攝到完整水底棋盤格圖像，多個相機之間保證可同步采集圖像。對多個相機進行內外參標定。制造需要采集的水面運動場景，多相機高速同步采集水面運動情況下水底棋盤格的圖像；

（2）初始時刻圖像用Harris角點檢測算法檢測棋盤格角點，后續時刻圖像角點用Lucas-Kanade光流法追蹤確定；利用相機內外參，確定每個相機圖像角點和水底棋盤格角點的映射關系；并對圖像角點間的映射關系插值，得到逐像素的映射關系；

（3）把相機兩兩分為多個組，基于步驟（2）求得的圖像像素和水底棋盤格角點的映射關系，每個組利用體素細分剔除的方法重建得到多個水面高度場；

（4）對于步驟（1）相機的每個采樣時刻，利用步驟（3）不同組相機重建得到的水面高度場進行重投影計算重投影誤差，對多個水面高度場進行加權融合，重投影誤差小的水面高度場權重更大，得到水面融合高度場；

（5）利用步驟（4）融合得到的水面融合高度場驅動基于物理的淺水方程模擬過程，模擬生成的淺水方程模擬高度場和水面融合高度場進一步融合，得到最終的重建結果高度場輸出。

所述步驟（3）中每組相機采用體素細分剔除的重建方法，其具體步驟為：把水體所在空間規則剖分為一個個三維體素，把每個體素中心點投影到本組所有相機，利用像素和水底棋盤格點的映射關系確定與投影像素對應的水底點，由相機光心、體素中心、水底點這三個點和折射定律求得體素中心點處的折射法向量；對于中心點水平坐標相同的多個體素，只保留所求法向量方向最一致的一個體素，其余體素剔除；進而對留下的體素繼續進行如上所述的細分剔除過程，直到體素大小小于給定的閾值。