專利名稱：一種結合多物理屬性的動態(tài)紋理瀑布建模方法
技術領域：
本發(fā)明屬于虛擬現(xiàn)實技術領域，具體來說是虛擬現(xiàn)實技術中物體真實感仿真中動 態(tài)紋理的一種建模方法。
背景技術：
虛擬現(xiàn)實所需要模擬千差萬別的目標，通常要求輸入和輸出圖像序列具有穩(wěn)定的 內(nèi)容和一定程度的運動形態(tài)重復特征。對于瀑布場景這樣動態(tài)性很高的仿真一般由于模型 表示能力的局限性，在表達運動形態(tài)的目標時，動態(tài)紋理的真實效果和可信程度至關重要。使用傳統(tǒng)計算機圖形學的三角面片的方法來模擬瀑布場景計算量很大而且效果 往往不理想。目前對瀑布仿真的研究主要集中在以下兩種途徑基于粒子系統(tǒng)的模擬方法； 圖像或視頻紋理合成的瀑布仿真方法?；诹Ｗ酉到y(tǒng)的瀑布模擬1983年，Reeves首先提出了粒子系統(tǒng)。粒子系統(tǒng)用 非常簡單的體素來構造復雜的物體，充分體現(xiàn)了不規(guī)則模糊物體的動態(tài)性和隨機性。由于 粒子系統(tǒng)的模擬是按照一定的約束方程對每個粒子分別進行位置、速度、性質以及生存狀 態(tài)的計算，這一特性使得其在瀑布建模上克服了傳統(tǒng)三角面片對不規(guī)則物體仿真的運動失 真。但是粒子系統(tǒng)中每個粒子都使用統(tǒng)一的紋理使得其表達瀑布的真實感上存在缺陷。利用圖像或視頻紋理合成的瀑布模擬1999年的ICCV會議上，Efros和Leung 提出了基于MRF模型的點匹配紋理合成，簡單有效，能很好的合成一些隨機紋理。Arno Schodl[l]在2000年的SIGGRAPH年會上提出了一種新的媒體——視頻紋理。視頻紋理同 時具有圖像和視頻的特征時序穩(wěn)定性和內(nèi)容動態(tài)性。利用視頻紋理，可以實現(xiàn)利用有限樣 本表達無限信息的目標。以上特性使得其在瀑布建模上能表現(xiàn)出瀑布表面的視覺真實感。 但缺點在于由于這些合成的紋理僅僅具有二維屬性，使得模擬的瀑布場景不能進行三維漫 游?？梢园殃P于動態(tài)紋理的研究方法分為三類第一類方法把動態(tài)紋理當作時間序列 分析，應用ARMA模型或者ARMA模型的擴展形式進行研究。第二類方法是基于紋理合成的 擴展方法，由于其原本只是針對紋理圖像設計的。第三類方法如視頻紋理方法，它介于基于 物理模型的仿真方法和時間序列方法之間。時間序列分析主要指采用參數(shù)模型(特指ARMA模型)對所觀測的有序的隨機數(shù) 據(jù)進行分析與處理的一種數(shù)據(jù)處理、系統(tǒng)辨識和系統(tǒng)分析方法。Szummer和Picard提出的 時間紋理模型采用時-空自回歸(STAR)模型表示動態(tài)紋理，STAR模型是自回歸(AR)模型 的三維擴展形式。該方法對非線性、不穩(wěn)定動態(tài)紋理和受控合成動態(tài)紋理的想過任然不夠
王困相紋理合成是計算機圖形學和計算機視覺中相當活躍的研究領域，應用紋理合成方 法的擴展形式合成。Bar-Jaseph提出的時變紋理方法是一種基于統(tǒng)計學習的通用的紋理信 號建模方法。該方法由于其原本只是針對紋理圖像設計的，所以也局限于處理由紋理圖像 序列所組成動態(tài)紋理。
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Schodl等人提出的視頻紋理方法的思想是給定一段動態(tài)紋理視頻，只要視頻中 存在足夠的相似幀，在視頻的播放過程中，就可以不斷的從跳變點處往回切換，合成任意長 度的視頻。由于視頻播放次序的重組總是要求切換幀之間相似，然而許多動態(tài)紋理不符合 這一要求，這是第三類方法難以跨越的障礙。近期研究者結合粒子系統(tǒng)和動態(tài)紋理的方法對瀑布進行了具有真實感、動態(tài)性的 模擬，但是在紋理的合成上沒有考慮瀑布自身各項物理屬性的對其紋理的影響。所以存在 一個缺點對一個沒有真實紋理采集的訂制瀑布場景，無法合成符合其真實物理特性的動 態(tài)紋理，以至于渲染結果的可信度較差?？偟膩碚f，在瀑布的建模上粒子系統(tǒng)和動態(tài)紋理的結合能進行動態(tài)性和真實感較 強的仿真。而動態(tài)紋理合成技術的研究工作尚未成熟，沒有考慮到多種物理屬性對紋理特 性的影響，無法真實可信的估計出位置物理狀態(tài)下的目標紋理形態(tài)特征。而在虛擬現(xiàn)實對 瀑布的模擬仿真中可信度有著有至關重要的作用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的技術問題是克服了目前已有的所有瀑布動態(tài)紋理生成方法中都忽 略瀑布本身的多種物理屬性對其形成的紋理特征有著一定相關影響這一缺點。為已有的瀑 布紋理建模方法在仿真一個訂制瀑布場景時使用的紋理可信度較低的問題提出了一個可 行的解決方案。本發(fā)明提出一種綜合考慮水流流速、流量、落差、地形等物理因素對瀑布動態(tài)紋理 的影響，進而建立與特定場景相對應的真實感瀑布模型的方法。包括以下步驟1)在不同物理條件下大量采集各種瀑布在不同時段環(huán)境下的實地物理屬性(包 括水流流量、流速、瀑布落差、日照情況)以及相應紋理數(shù)據(jù)；2)在步驟1)采集的視頻紋理數(shù)據(jù)中預處理捕獲的視頻紋理數(shù)據(jù)，生成紋理樣本
向量；3)定義物理屬性和其他紋理控制參數(shù)的相關性，并計算映射函數(shù)；4)基于統(tǒng)計分析步驟2)的紋理特征與各種物理屬性的映射關系；5)以步驟4)得到的映射關系為基礎，對訂制的瀑布場景從數(shù)據(jù)庫中提取相應紋 理，遵循映射關系計算生成符合需求場景的瀑布動態(tài)紋理；6)將步驟5)瀑布紋理下使用粒子系統(tǒng)在瀑布三維場景中渲染，完成對瀑布的模 擬仿真。本發(fā)明的有益效果是1)將瀑布的多種物理屬性和其表現(xiàn)的紋理特征的相關性考慮入計算機仿真的建 模方法中?？朔藗鹘y(tǒng)方法中忽略這一相關性而導致的對虛擬場景中瀑布外觀紋理的生成 失真和模型不可信問題。2)在本發(fā)明中不是將紋理圖片作為基本的映射單元，而是將紋理進一步分解為紋 理元，同時提取出紋理控制參數(shù)，能更加有效的控制動態(tài)紋理的形成。3)本發(fā)明將與瀑布紋理聯(lián)系最緊密的流量、流速、落差、日照情況這幾個典型物理 屬性作為影響紋理特征的改變量，并使用海量的各種條件下的真實瀑布參數(shù)作為樣本來估 計各物理屬性和紋理的映射。使得對瀑布動態(tài)紋理的生成具有更加真實可信的效果。
權利要求
一種結合多物理屬性的動態(tài)紋理瀑布建模方法，其特征在于該組織方法由以下步驟組成1)在不同物理條件下采集各種瀑布的實地物理屬性以及相應紋理數(shù)據(jù)；2)預處理視頻紋理數(shù)據(jù)，提取瀑布紋理控制參數(shù)；3)將海量瀑布物理屬性、紋理參數(shù)用數(shù)據(jù)庫組織存儲；4)分析各種物理屬性和每個紋理控制參數(shù)的統(tǒng)計分析；5)根據(jù)訂制的瀑布場景從數(shù)據(jù)庫中提取相應紋理，遵循分布規(guī)律計算生成正確動態(tài)紋理。
2.如權利要求1所述結合多物理屬性的動態(tài)紋理瀑布建模方法，其特征在于所述步 驟1)對瀑布的實地采集具體為1.1)對不同形態(tài)的多個瀑布進行有針對性的數(shù)據(jù)采集工作；1.2)單個瀑布實地測量時需要在一年中不同季節(jié)、一天中不同日照情況分別進行采集；1.3)每一次獨立的采集工作都要同時記錄當時的時間、太陽高度角、瀑布上游水流量、 流速，以及使用高速攝像機多角度拍攝瀑布視頻紋理。
3.如權利要求1中所述結合多物理屬性的動態(tài)紋理瀑布建模方法，其特征在于所述 步驟2)對視頻紋理的預處理和控制參數(shù)的提取方法如下2.1)對視頻紋理進行去噪、校正、縮放至固定分辨率大?。?. 2)對視頻進行目標分類計算，結合地形數(shù)據(jù)分析得出瀑布的流向線； 2. 3)沿著流向線等距離采樣得到一個紋理樣本矩陣M，其元素Hiij代表第j幀的第i個 位置對應的紋理元，所述紋理元為一個32*32的像素矩陣；2. 4)從顏色光滑和寬度兩方面簡化紋理樣本矩陣，得到一個紋理樣本向量及，其元素 Hi表示第i個位置的紋理元；2. 5)以日照參數(shù)為標準將視頻分為早上，中午，晚上三組分別進行以上的組織，每個瀑 布場景分別得到三組紋理樣本向量。
4.如權利要求1中所述多結合物理屬性的動態(tài)紋理瀑布建模方法，其特征在于所述 步驟4)對各種物理屬性和每個紋理控制參數(shù)的映射如下設多物理屬性集合為P ；其中日照情況為s，流量為f，流速為V，落差為d ；設整體紋理 為T，其中紋理元為m，動態(tài)隨機描述r，流線為1，亮度為b，紋理元數(shù)目η ；提取紋理元和落 差、流速相關性描述函數(shù)m = fm(d, ν)；亮度與日照、流量的相關性描述函數(shù)b = fb(s, f)，紋理單元數(shù)目Π = fn(f)；最終瀑布紋理描述函數(shù)丁 = !^!!!，^!·，〗，!!)； 對控制參數(shù)的統(tǒng)計映射即是求解得到T = FT(m，b，r, 1，)的映射。
5.如權利要求4中所述的1= 1~011，13，1·，1，)映射的計算，其特征在于所述函數(shù)估 計方法如下，4. 1)在T = FT(m, b，r，1，η)函數(shù)中，由于r是給合成的紋理加入時變信息，1是紋理 的一個走向，b用于調整紋理亮度，η是使用粒子系統(tǒng)渲染時粒子的個數(shù)；四者都是對其物 理狀態(tài)有明確表達式約束的；而核心在于紋理元m和物理屬性的映射；，4. 2)對一組真實瀑布物理屬性和相應的紋理進行一一對應；構建一個高維的散點圖， 因變量為m，自變量為f，ν和d;(4. 3)在此三維空間中基于統(tǒng)計的使用高斯擬合一個包含每個對應散點的連續(xù)函數(shù)，即 為物理屬性和紋理特征對應的映射函數(shù)；(4. 4)評價步驟4. 3中物理屬性和紋理特征的映射函數(shù)的各個區(qū)間的可信度；(4.5)對計算的可信度通過指定閾值將所有區(qū)間劃分為可靠區(qū)間和非可靠區(qū)間。
6.如權利要求5中所述結合多物理屬性的動態(tài)紋理瀑布建模方法，其特征在于所述 步驟5)對根據(jù)訂制的瀑布場景從數(shù)據(jù)庫中提取相應紋理，遵循分布規(guī)律計算生成正確動 態(tài)紋理其特征在于(5.1)將需要建立的瀑布模型物理屬性數(shù)據(jù)作為查詢輸入，從已組織好的數(shù)據(jù)庫中取出 與之最相鄰的真實瀑布采樣數(shù)據(jù)；(5. 2)使用步驟4. 3中通過散點圖擬合物理屬性和紋理特征得到的物理屬性和紋理數(shù) 據(jù)的映射關系計算出該瀑布模型中的動態(tài)紋理和相鄰紋理的歐式距離；(5. 3)使用與真實紋理數(shù)據(jù)的距離加權計算出給定情況下的紋理狀態(tài)；(5. 4)將計算出的動態(tài)紋理映射到瀑布模型的三維表面上，形成瀑布模型。
7.如權力要求6中所述的計算各物理屬性與動態(tài)紋理映射的建模方法，其特征在于 所述步驟1)中對真實瀑布采樣數(shù)據(jù)的選擇具體如下根據(jù)所述步驟4. 5對物理屬性和紋理特征擬合映射函數(shù)所劃分的可靠區(qū)間和非可靠 區(qū)間，確定訂制瀑布場景的物理屬性組合所屬區(qū)間是否可靠；若處于可靠區(qū)間則使用歐氏 距離最近的4個樣本值進行差值計算，否則計算最鄰近的8個樣本的差值結果。
全文摘要
本發(fā)明設計一種結合多物理屬性的動態(tài)紋理瀑布建模方法，屬于虛擬現(xiàn)實科學技術領域。本發(fā)明通過(1)實地測量獲取各種不同環(huán)境的真實瀑布流速、流量、落差、地形、日照對瀑布形態(tài)有影響的物理屬性參數(shù)，同時用攝像機記錄相應狀態(tài)下視頻紋理；(2)將瀑布模型的動態(tài)紋理提取出若干控制參數(shù)；(3)將采集數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫中合理組織并通過相關性分析為各項物理屬性建立分布模型；(4)按照場景訂制需求，將數(shù)據(jù)庫中真實數(shù)據(jù)利用映射規(guī)律計算接近真實效果的瀑布動態(tài)紋理；(5)使用動態(tài)紋理渲染瀑布場景。本發(fā)明提取瀑布多種物理屬性和動態(tài)紋理的統(tǒng)計規(guī)律，并利用統(tǒng)計分布和已有數(shù)據(jù)可對任意環(huán)境形態(tài)的瀑布進行高度逼進真實的瀑布場景建模?？朔藗鹘y(tǒng)瀑布建模中忽略物理因素帶來的模型紋理失真。實現(xiàn)物理屬性參數(shù)驅動的瀑布水流表面紋理真實模擬。
文檔編號G06T15/00GK101937576SQ20101027676
公開日2011年1月5日 申請日期2010年9月8日 優(yōu)先權日2010年9月8日
發(fā)明者伍朝輝, 劉益帆, 吳威, 周忠, 趙沁平 申請人:北京航空航天大學