專利名稱：一種基于多源實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的火焰建模方法及其系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于多源實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的火焰建模方法及其系統(tǒng)
背景技術(shù)：
真實(shí)感火焰現(xiàn)象是計(jì)算機(jī)動(dòng)畫、影視特效和游戲娛樂中不可或缺的元素，但由于真實(shí)的火焰燃燒具有一定的危險(xiǎn)性，還包括復(fù)雜的化學(xué)燃燒反應(yīng)，導(dǎo)致火焰的運(yùn)動(dòng)極其復(fù)雜，運(yùn)動(dòng)形態(tài)非常豐富，很難用物理方程對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確的描述，而且針對(duì)物理 模型的高復(fù)雜度數(shù)值計(jì)算方法也常常成為制約物理建模的限制因素。鑒于真實(shí)感火焰在視覺媒體或交互娛樂中有著廣泛的應(yīng)用前景，因此火焰模擬一直是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)研究中具有挑戰(zhàn)性的研究難題之一。傳統(tǒng)的火焰模擬方法主要分為三類基于粒子系統(tǒng)的方法，基于紋理映射的方法，以及基于物理的火焰模擬方法。基于粒子系統(tǒng)和紋理映射的方法雖然模擬速度較快，但不能滿足觀眾日益增長(zhǎng)的對(duì)火焰視覺效果的高要求?；谖锢淼姆椒ㄍㄟ^追溯火焰的物理根源，根據(jù)其物理本質(zhì)進(jìn)行建模，得到其物理數(shù)據(jù)，并由基于物理的渲染器進(jìn)行繪制，能得到較為真實(shí)的視覺效果。物理模擬方法的復(fù)雜性與難擴(kuò)展性使得基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的火焰模擬得到逐步發(fā)展。目前的基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的火焰建模，主要采用的是攝像機(jī)陣列，通過多臺(tái)攝像機(jī)，同時(shí)拍攝火焰燃燒效果，但該方法只適合低速火焰燃燒(蠟燭燃燒)，因?yàn)榈退倩鹧嫒紵哂休^為明顯的輪廓信息，而對(duì)于高速或燃燒比較劇烈的火焰，火焰運(yùn)動(dòng)的跳躍感比較強(qiáng)，中間往往產(chǎn)生很多空洞，僅僅依靠圖像的方法，無法重建出滿意的動(dòng)畫效果，尤其很難表現(xiàn)火焰運(yùn)動(dòng)的多變性，特別是火焰的運(yùn)動(dòng)細(xì)節(jié)。高速攝像機(jī)和高精度傳感設(shè)備能夠較為精確地捕獲火焰圖像、溫度、以及光譜信息等，這些多源信息反映了火焰在燃燒過程中的真實(shí)狀態(tài)，它提供了火焰在燃燒過程中的細(xì)節(jié)信息。因此，利用實(shí)測(cè)的多源數(shù)據(jù)重構(gòu)火焰的三維運(yùn)動(dòng)模型，為真實(shí)感的火焰動(dòng)畫生成提供一種新的方法和途徑。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種基于多源實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的火焰建模方法及其系統(tǒng)，其能夠構(gòu)建火焰的逼真繪制模型，得到近似圖像真實(shí)級(jí)別的火焰繪制效果。本發(fā)明提出一種基于多源實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的火焰建模方法，包括步驟1，使用攝像機(jī)、光譜儀、多波長(zhǎng)輻射測(cè)溫儀采集火焰數(shù)據(jù)；步驟2，對(duì)火焰的三維溫度場(chǎng)進(jìn)行重建；步驟3，對(duì)重建的所述火焰的三維溫度場(chǎng)在時(shí)序上進(jìn)行優(yōu)化；步驟4，基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)火焰進(jìn)行繪制。其中，所述步驟I包括
步驟11，在繞火焰的水平圓周上，按等弧長(zhǎng)均勻布置所述攝像機(jī)；步驟12，在火焰的四周，按照正交陣列布置所述多波長(zhǎng)輻射測(cè)溫儀，采集火焰輻射出來的能量；步驟13，利用所述光譜儀，采集火焰燃燒過程中的光譜分布信息。進(jìn)一步的，所述步驟2包括步驟21，使用多光譜輻射測(cè)溫法求得所述多波長(zhǎng)輻射測(cè)溫儀的輸出信號(hào)與目標(biāo)真實(shí)溫度的關(guān)系；步驟22，使用計(jì)算機(jī)斷層成像技術(shù)，結(jié)合所述的多光譜輻射測(cè)溫法，得到整個(gè)火 焰的三維溫度場(chǎng)和光譜發(fā)射率。進(jìn)一步的，所述步驟3包括步驟31，對(duì)所述重建的火焰的三維溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行離散小波變換；步驟32，選用高斯白噪聲模型，基于離散小波變換對(duì)所述火焰的三維溫度場(chǎng)進(jìn)行去噪處理，然后對(duì)處理后的小波系數(shù)進(jìn)行重建，得到去噪后的火焰的三維溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)。進(jìn)一步的，所述步驟4包括步驟41，通過對(duì)所述采集到的實(shí)測(cè)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行離散小波變換，把圖像分解成高精度信息和低精度信息兩個(gè)部分步驟42，對(duì)于所述低精度信息，通過遺傳算法建立所述低精度信息與所述火焰的三維溫度場(chǎng)和光譜分布之間的映射關(guān)系；步驟43，對(duì)于所述高精度信息，通過哈希函數(shù)建立所述高精度信息與所述火焰的三維溫度場(chǎng)沿逆視線方向上的積分之間的索引關(guān)系；步驟44，對(duì)于所述的火焰的三維溫度場(chǎng)和光譜分布信息，在給定的視線下，根據(jù)所述離散小波逆變換和索引的高精度信息合成得到需要的火焰圖像。為達(dá)到本發(fā)明的目的，本發(fā)明另提出一種基于多源實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的火焰建模系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集模塊，使用攝像機(jī)、光譜儀、多波長(zhǎng)輻射測(cè)溫儀采集火焰數(shù)據(jù)；重建模塊，用于對(duì)火焰的三維溫度場(chǎng)進(jìn)行重建；優(yōu)化模塊，用于對(duì)重建的所述火焰的三維溫度場(chǎng)在時(shí)序上進(jìn)行優(yōu)化； 繪制模塊，用于根據(jù)采集到的實(shí)測(cè)圖像數(shù)據(jù)對(duì)火焰進(jìn)行繪制。進(jìn)一步的，所述數(shù)據(jù)采集模塊包括攝像機(jī)布置模塊，用于將所述攝像機(jī)按等弧長(zhǎng)均勻布置在繞火焰的水平圓周上，捕獲火焰圖像；多波長(zhǎng)輻射測(cè)溫器布置模塊，用于將所述多波長(zhǎng)輻射測(cè)溫儀按照正交陣列布置在火焰的四周，采集火焰輻射出來的能量；光譜儀采集模塊，利用所述光譜儀采集火焰燃燒過程中的光譜分布信息。進(jìn)一步的，所述重建模塊包括多光譜輻射測(cè)溫模塊，使用多光譜輻射測(cè)溫法求得多波長(zhǎng)輻射測(cè)溫儀的輸出信號(hào)與目標(biāo)真實(shí)溫度的關(guān)系；計(jì)算機(jī)斷層成像模塊，使用計(jì)算機(jī)斷層成像技術(shù)，結(jié)合所述的多光譜輻射測(cè)溫法，得到整個(gè)火焰的三維溫度場(chǎng)和光譜發(fā)射率。
進(jìn)一步的，優(yōu)化模塊包括變換模塊，用于對(duì)所述重建的火焰的三維溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行離散小波變換；去噪處理模塊，選用高斯白噪聲模型，基于小波分解對(duì)所述火焰的三維溫度場(chǎng)進(jìn)行去噪處理，然后對(duì)處理后的小波系數(shù)進(jìn)行重建，得到去噪后的火焰的三維溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)。進(jìn)一步的，繪制模塊包括分解模塊，通過對(duì)所述采集到的實(shí)測(cè)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行離散小波變換，把圖像分解高精度信息和低精度信息兩個(gè)部分關(guān)系建立模塊，對(duì)所述低精度信息，通過遺傳算法建立所述低精度信息與所述火焰的三維溫度場(chǎng)和光譜分布之間的映射關(guān)系；對(duì)所述高精度信息，通過哈 希函數(shù)建立所述高精度信息與所述火焰的三維溫度場(chǎng)沿逆視線方向上的積分之間的索引關(guān)系；圖像合成模塊，用于在給定的視線下，對(duì)所述的三維火焰溫度場(chǎng)和光譜分布信息，根據(jù)所述離散小波逆變換和所述的高精度信息合成得到需要的火焰圖像。以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述，但不作為對(duì)本發(fā)明的限定。


圖I是火焰采集設(shè)備的示意圖。圖2是三維溫度場(chǎng)的示意圖。圖3是建立映射關(guān)系的流程圖。圖4是火焰繪制過程的示意圖。圖5是基于多源實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的火焰建模系統(tǒng)示意圖
具體實(shí)施例方式I)數(shù)據(jù)采集圖I火焰采集設(shè)備的示意圖。在繞火焰的水平圓周上，按等弧長(zhǎng)均勻布置攝像機(jī)；同時(shí)，在火焰的四周，按照正交陣列布置多波長(zhǎng)輻射測(cè)溫器，全空間地采集火焰輻射出來的能量；最后，利用I臺(tái)光譜儀，采集火焰燃燒過程中的光譜分布信息。利用該數(shù)據(jù)采集方案，可以較為完整地采集火焰燃燒過程中的溫度變化和光譜分布信息等。2)三維溫度場(chǎng)重建使用多光譜輻射測(cè)溫法可以求得多波長(zhǎng)輻射測(cè)溫器的輸出信號(hào)與目標(biāo)真實(shí)溫度的關(guān)系。測(cè)溫系統(tǒng)采用η個(gè)波長(zhǎng)，根據(jù)維恩公式，則對(duì)應(yīng)第i個(gè)波長(zhǎng)的通道的輸出信號(hào)Vi與物體的輻射強(qiáng)度L(AiJ)成正比，則K = Αλ: ·人(Α，廣)=Λλ, ' ε、入i, Λ ' 'exP(_Ty)其中，為只與波長(zhǎng)有關(guān)與溫度無關(guān)的檢定常數(shù)，C2為第二輻射常量，ε (λρΤ)是溫度為T的目標(biāo)光譜發(fā)射率，在給定黑體參考溫度Τ’情況下，ε (AilT) =1，第i個(gè)波長(zhǎng)的通道的輸出信號(hào)V, iVi = Ai ’ /,,■ exp(rp·)
Λ； I
I
于是可以得到
權(quán)利要求
1.一種基于多源實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的火焰建模方法，其特征在于，包括 步驟1，使用攝像機(jī)、光譜儀、多波長(zhǎng)輻射測(cè)溫儀采集火焰數(shù)據(jù)； 步驟2，對(duì)火焰的三維溫度場(chǎng)進(jìn)行重建； 步驟3，對(duì)重建的所述火焰的三維溫度場(chǎng)在時(shí)序上進(jìn)行優(yōu)化； 步驟4，基于采集到的實(shí)測(cè)圖像數(shù)據(jù)對(duì)火焰進(jìn)行繪制。
2.如權(quán)利要求I所述的火焰建模方法，其特征在于，所述步驟I包括 步驟11，在繞火焰的水平圓周上，按等弧長(zhǎng)均勻布置所述攝像機(jī)； 步驟12，在火焰的四周，按照正交陣列布置所述多波長(zhǎng)輻射測(cè)溫儀，采集火焰輻射出來的能量； 步驟13，利用所述光譜儀，采集火焰燃燒過程中的光譜分布信息。
3.如權(quán)利要求I所述的火焰建模方法，其特征在于，所述步驟2包括 步驟21，使用多光譜輻射測(cè)溫法求得所述多波長(zhǎng)輻射測(cè)溫儀的輸出信號(hào)與目標(biāo)真實(shí)溫度的關(guān)系； 步驟22，使用計(jì)算機(jī)斷層成像技術(shù)，結(jié)合所述的多光譜輻射測(cè)溫法，得到整個(gè)火焰的三維溫度場(chǎng)和光譜發(fā)射率。
4.如權(quán)利要求I所述的火焰建模方法，其特征在于，所述步驟3包括 步驟31，對(duì)所述重建的火焰的三維溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行離散小波變換； 步驟32，選用高斯白噪聲模型，基于小波分解對(duì)所述火焰的三維溫度場(chǎng)進(jìn)行去噪處理，然后對(duì)處理后的小波系數(shù)進(jìn)行重建，得到去噪后的火焰的三維溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)。
5.如權(quán)利要求I所述的火焰建模方法，其特征在于，所述步驟4包括 步驟41，通過對(duì)所述采集到的實(shí)測(cè)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行離散小波變換，把圖像分解成高精度信息和低精度信息兩個(gè)部分 步驟42，對(duì)于所述低精度信息，通過遺傳算法建立所述低精度信息與所述火焰的三維溫度場(chǎng)和光譜分布之間的映射關(guān)系； 步驟43，對(duì)于所述高精度信息，通過哈希函數(shù)建立所述高精度信息與所述火焰的三維溫度場(chǎng)沿逆視線方向上的積分之間的索引關(guān)系； 步驟44，對(duì)于所述的火焰的三維溫度場(chǎng)和光譜分布信息，在給定的視線下，根據(jù)所述離散小波逆變換和索引的高精度信息合成得到需要的火焰圖像。
6.一種基于多源實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的火焰建模系統(tǒng)，其特征在于，包括 數(shù)據(jù)采集模塊，使用攝像機(jī)、光譜儀、多波長(zhǎng)輻射測(cè)溫儀采集火焰數(shù)據(jù)； 重建模塊，用于對(duì)火焰的三維溫度場(chǎng)進(jìn)行重建； 優(yōu)化模塊，用于對(duì)重建的所述火焰的三維溫度場(chǎng)在時(shí)序上進(jìn)行優(yōu)化； 繪制模塊，用于根據(jù)采集到的實(shí)測(cè)圖像數(shù)據(jù)對(duì)火焰進(jìn)行繪制。
7.如權(quán)利要求6所述的火焰建模系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)據(jù)采集模塊包括 攝像機(jī)布置模塊，用于將所述攝像機(jī)按等弧長(zhǎng)均勻布置在繞火焰的水平圓周上，捕獲火焰圖像； 多波長(zhǎng)輻射測(cè)溫器布置模塊，用于將所述多波長(zhǎng)輻射測(cè)溫儀按照正交陣列布置在火焰的四周，采集火焰輻射出來的能量； 光譜儀采集模塊，利用所述光譜儀采集火焰燃燒過程中的光譜分布信息。
8.如權(quán)利要求6所述的火焰建模系統(tǒng)，其特征在于，所述重建模塊包括 多光譜輻射測(cè)溫模塊，使用多光譜輻射測(cè)溫法求得多波長(zhǎng)輻射測(cè)溫儀的輸出信號(hào)與目標(biāo)真實(shí)溫度的關(guān)系； 計(jì)算機(jī)斷層成像模塊，使用計(jì)算機(jī)斷層成像技術(shù)，結(jié)合所述的多光譜輻射測(cè)溫法，得到整個(gè)火焰的三維溫度場(chǎng)和光譜發(fā)射率。
9.如權(quán)利要求6所述的火焰建模系統(tǒng)，其特征在于，所述優(yōu)化模塊包括 變換模塊，用于對(duì)所述重建的火焰的三維溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行離散小波變換； 去噪處理模塊，選用高斯白噪聲模型，基于小波分解對(duì)所述火焰的三維溫度場(chǎng)進(jìn)行去噪處理，然后對(duì)處理后的小波系數(shù)進(jìn)行重建，得到去噪后的火焰的三維溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)。
10.如權(quán)利要求6所述的火焰建模系統(tǒng)，其特征在于，所述繪制模塊包括 分解模塊，通過對(duì)所述采集到的實(shí)測(cè)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行離散小波變換，把圖像分解高精度信息和低精度信息兩個(gè)部分 關(guān)系建立模塊，對(duì)所述低精度信息，通過遺傳算法建立所述低精度信息與所述火焰的三維溫度場(chǎng)和光譜分布之間的映射關(guān)系；對(duì)所述高精度信息，通過哈希函數(shù)建立所述高精度信息與所述火焰的三維溫度場(chǎng)沿逆視線方向上的積分之間的索引關(guān)系； 圖像合成模塊，用于在給定的視線下，對(duì)所述的三維火焰溫度場(chǎng)和光譜分布信息，根據(jù)所述離散小波逆變換和索引的高精度信息合成得到需要的火焰圖像。
全文摘要
一種基于多源實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的火焰建模方法及其系統(tǒng)，此方法包括步驟1，使用攝像機(jī)、光譜儀、多波長(zhǎng)輻射測(cè)溫儀采集火焰數(shù)據(jù)；步驟2，對(duì)火焰的三維溫度場(chǎng)進(jìn)行重建；步驟3，對(duì)重建的所述火焰的三維溫度場(chǎng)在時(shí)序上進(jìn)行優(yōu)化；步驟4，基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)火焰進(jìn)行繪制。本發(fā)明能夠構(gòu)建火焰的逼真繪制模型，得到近似圖像真實(shí)級(jí)別的火焰繪制效果。
文檔編號(hào)G06T5/00GK102881041SQ20121029914
公開日2013年1月16日 申請(qǐng)日期2012年8月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月21日
發(fā)明者朱登明, 沈亮, 魏毅, 王兆其 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所