专利名称：一种结合多物理属性的动态纹理瀑布建模方法
技术领域：
本发明属于虚拟现实技术领域，具体来说是虚拟现实技术中物体真实感仿真中动 态纹理的一种建模方法。
背景技术：
虚拟现实所需要模拟千差万别的目标，通常要求输入和输出图像序列具有稳定的 内容和一定程度的运动形态重复特征。对于瀑布场景这样动态性很高的仿真一般由于模型 表示能力的局限性，在表达运动形态的目标时，动态纹理的真实效果和可信程度至关重要。使用传统计算机图形学的三角面片的方法来模拟瀑布场景计算量很大而且效果 往往不理想。目前对瀑布仿真的研究主要集中在以下两种途径基于粒子系统的模拟方法； 图像或视频纹理合成的瀑布仿真方法。基于粒子系统的瀑布模拟1983年，Reeves首先提出了粒子系统。粒子系统用 非常简单的体素来构造复杂的物体，充分体现了不规则模糊物体的动态性和随机性。由于 粒子系统的模拟是按照一定的约束方程对每个粒子分别进行位置、速度、性质以及生存状 态的计算，这一特性使得其在瀑布建模上克服了传统三角面片对不规则物体仿真的运动失 真。但是粒子系统中每个粒子都使用统一的纹理使得其表达瀑布的真实感上存在缺陷。利用图像或视频纹理合成的瀑布模拟1999年的ICCV会议上，Efros和Leung 提出了基于MRF模型的点匹配纹理合成，简单有效，能很好的合成一些随机纹理。Arno Schodl[l]在2000年的SIGGRAPH年会上提出了一种新的媒体——视频纹理。视频纹理同 时具有图像和视频的特征时序稳定性和内容动态性。利用视频纹理，可以实现利用有限样 本表达无限信息的目标。以上特性使得其在瀑布建模上能表现出瀑布表面的视觉真实感。 但缺点在于由于这些合成的纹理仅仅具有二维属性，使得模拟的瀑布场景不能进行三维漫 游。可以把关于动态纹理的研究方法分为三类第一类方法把动态纹理当作时间序列 分析，应用ARMA模型或者ARMA模型的扩展形式进行研究。第二类方法是基于纹理合成的 扩展方法，由于其原本只是针对纹理图像设计的。第三类方法如视频纹理方法，它介于基于 物理模型的仿真方法和时间序列方法之间。时间序列分析主要指采用参数模型(特指ARMA模型)对所观测的有序的随机数 据进行分析与处理的一种数据处理、系统辨识和系统分析方法。Szummer和Picard提出的 时间纹理模型采用时-空自回归(STAR)模型表示动态纹理，STAR模型是自回归(AR)模型 的三维扩展形式。该方法对非线性、不稳定动态纹理和受控合成动态纹理的想过任然不够
王困相纹理合成是计算机图形学和计算机视觉中相当活跃的研究领域，应用纹理合成方 法的扩展形式合成。Bar-Jaseph提出的时变纹理方法是一种基于统计学习的通用的纹理信 号建模方法。该方法由于其原本只是针对纹理图像设计的，所以也局限于处理由纹理图像 序列所组成动态纹理。
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Schodl等人提出的视频纹理方法的思想是给定一段动态纹理视频，只要视频中 存在足够的相似帧，在视频的播放过程中，就可以不断的从跳变点处往回切换，合成任意长 度的视频。由于视频播放次序的重组总是要求切换帧之间相似，然而许多动态纹理不符合 这一要求，这是第三类方法难以跨越的障碍。近期研究者结合粒子系统和动态纹理的方法对瀑布进行了具有真实感、动态性的 模拟，但是在纹理的合成上没有考虑瀑布自身各项物理属性的对其纹理的影响。所以存在 一个缺点对一个没有真实纹理采集的订制瀑布场景，无法合成符合其真实物理特性的动 态纹理，以至于渲染结果的可信度较差。总的来说，在瀑布的建模上粒子系统和动态纹理的结合能进行动态性和真实感较 强的仿真。而动态纹理合成技术的研究工作尚未成熟，没有考虑到多种物理属性对纹理特 性的影响，无法真实可信的估计出位置物理状态下的目标纹理形态特征。而在虚拟现实对 瀑布的模拟仿真中可信度有着有至关重要的作用。
发明内容
本发明解决的技术问题是克服了目前已有的所有瀑布动态纹理生成方法中都忽 略瀑布本身的多种物理属性对其形成的纹理特征有着一定相关影响这一缺点。为已有的瀑 布纹理建模方法在仿真一个订制瀑布场景时使用的纹理可信度较低的问题提出了一个可 行的解决方案。本发明提出一种综合考虑水流流速、流量、落差、地形等物理因素对瀑布动态纹理 的影响，进而建立与特定场景相对应的真实感瀑布模型的方法。包括以下步骤1)在不同物理条件下大量采集各种瀑布在不同时段环境下的实地物理属性(包 括水流流量、流速、瀑布落差、日照情况)以及相应纹理数据；2)在步骤1)采集的视频纹理数据中预处理捕获的视频纹理数据，生成纹理样本
向量；3)定义物理属性和其他纹理控制参数的相关性，并计算映射函数；4)基于统计分析步骤2)的纹理特征与各种物理属性的映射关系；5)以步骤4)得到的映射关系为基础，对订制的瀑布场景从数据库中提取相应纹 理，遵循映射关系计算生成符合需求场景的瀑布动态纹理；6)将步骤5)瀑布纹理下使用粒子系统在瀑布三维场景中渲染，完成对瀑布的模 拟仿真。本发明的有益效果是1)将瀑布的多种物理属性和其表现的纹理特征的相关性考虑入计算机仿真的建 模方法中。克服了传统方法中忽略这一相关性而导致的对虚拟场景中瀑布外观纹理的生成 失真和模型不可信问题。2)在本发明中不是将纹理图片作为基本的映射单元，而是将纹理进一步分解为纹 理元，同时提取出纹理控制参数，能更加有效的控制动态纹理的形成。3)本发明将与瀑布纹理联系最紧密的流量、流速、落差、日照情况这几个典型物理 属性作为影响纹理特征的改变量，并使用海量的各种条件下的真实瀑布参数作为样本来估 计各物理属性和纹理的映射。使得对瀑布动态纹理的生成具有更加真实可信的效果。
权利要求
一种结合多物理属性的动态纹理瀑布建模方法，其特征在于该组织方法由以下步骤组成1)在不同物理条件下采集各种瀑布的实地物理属性以及相应纹理数据；2)预处理视频纹理数据，提取瀑布纹理控制参数；3)将海量瀑布物理属性、纹理参数用数据库组织存储；4)分析各种物理属性和每个纹理控制参数的统计分析；5)根据订制的瀑布场景从数据库中提取相应纹理，遵循分布规律计算生成正确动态纹理。
2.如权利要求1所述结合多物理属性的动态纹理瀑布建模方法，其特征在于所述步 骤1)对瀑布的实地采集具体为1.1)对不同形态的多个瀑布进行有针对性的数据采集工作；1.2)单个瀑布实地测量时需要在一年中不同季节、一天中不同日照情况分别进行采集；1.3)每一次独立的采集工作都要同时记录当时的时间、太阳高度角、瀑布上游水流量、 流速，以及使用高速摄像机多角度拍摄瀑布视频纹理。
3.如权利要求1中所述结合多物理属性的动态纹理瀑布建模方法，其特征在于所述 步骤2)对视频纹理的预处理和控制参数的提取方法如下2.1)对视频纹理进行去噪、校正、缩放至固定分辨率大小；2. 2)对视频进行目标分类计算，结合地形数据分析得出瀑布的流向线； 2. 3)沿着流向线等距离采样得到一个纹理样本矩阵M，其元素Hiij代表第j帧的第i个 位置对应的纹理元，所述纹理元为一个32*32的像素矩阵；2. 4)从颜色光滑和宽度两方面简化纹理样本矩阵，得到一个纹理样本向量及，其元素 Hi表示第i个位置的纹理元；2. 5)以日照参数为标准将视频分为早上，中午，晚上三组分别进行以上的组织，每个瀑 布场景分别得到三组纹理样本向量。
4.如权利要求1中所述多结合物理属性的动态纹理瀑布建模方法，其特征在于所述 步骤4)对各种物理属性和每个纹理控制参数的映射如下设多物理属性集合为P ；其中日照情况为s，流量为f，流速为V，落差为d ；设整体纹理 为T，其中纹理元为m，动态随机描述r，流线为1，亮度为b，纹理元数目η ；提取纹理元和落 差、流速相关性描述函数m = fm(d, ν)；亮度与日照、流量的相关性描述函数b = fb(s, f)，纹理单元数目Π = fn(f)；最终瀑布纹理描述函数丁 = !^!!!，^!·，〗，!!)； 对控制参数的统计映射即是求解得到T = FT(m，b，r, 1，)的映射。
5.如权利要求4中所述的1= 1~011，13，1·，1，)映射的计算，其特征在于所述函数估 计方法如下，4. 1)在T = FT(m, b，r，1，η)函数中，由于r是给合成的纹理加入时变信息，1是纹理 的一个走向，b用于调整纹理亮度，η是使用粒子系统渲染时粒子的个数；四者都是对其物 理状态有明确表达式约束的；而核心在于纹理元m和物理属性的映射；，4. 2)对一组真实瀑布物理属性和相应的纹理进行一一对应；构建一个高维的散点图， 因变量为m，自变量为f，ν和d;(4. 3)在此三维空间中基于统计的使用高斯拟合一个包含每个对应散点的连续函数，即 为物理属性和纹理特征对应的映射函数；(4. 4)评价步骤4. 3中物理属性和纹理特征的映射函数的各个区间的可信度；(4.5)对计算的可信度通过指定阈值将所有区间划分为可靠区间和非可靠区间。
6.如权利要求5中所述结合多物理属性的动态纹理瀑布建模方法，其特征在于所述 步骤5)对根据订制的瀑布场景从数据库中提取相应纹理，遵循分布规律计算生成正确动 态纹理其特征在于(5.1)将需要建立的瀑布模型物理属性数据作为查询输入，从已组织好的数据库中取出 与之最相邻的真实瀑布采样数据；(5. 2)使用步骤4. 3中通过散点图拟合物理属性和纹理特征得到的物理属性和纹理数 据的映射关系计算出该瀑布模型中的动态纹理和相邻纹理的欧式距离；(5. 3)使用与真实纹理数据的距离加权计算出给定情况下的纹理状态；(5. 4)将计算出的动态纹理映射到瀑布模型的三维表面上，形成瀑布模型。
7.如权力要求6中所述的计算各物理属性与动态纹理映射的建模方法，其特征在于 所述步骤1)中对真实瀑布采样数据的选择具体如下根据所述步骤4. 5对物理属性和纹理特征拟合映射函数所划分的可靠区间和非可靠 区间，确定订制瀑布场景的物理属性组合所属区间是否可靠；若处于可靠区间则使用欧氏 距离最近的4个样本值进行差值计算，否则计算最邻近的8个样本的差值结果。
全文摘要
本发明设计一种结合多物理属性的动态纹理瀑布建模方法，属于虚拟现实科学技术领域。本发明通过(1)实地测量获取各种不同环境的真实瀑布流速、流量、落差、地形、日照对瀑布形态有影响的物理属性参数，同时用摄像机记录相应状态下视频纹理；(2)将瀑布模型的动态纹理提取出若干控制参数；(3)将采集数据在数据库中合理组织并通过相关性分析为各项物理属性建立分布模型；(4)按照场景订制需求，将数据库中真实数据利用映射规律计算接近真实效果的瀑布动态纹理；(5)使用动态纹理渲染瀑布场景。本发明提取瀑布多种物理属性和动态纹理的统计规律，并利用统计分布和已有数据可对任意环境形态的瀑布进行高度逼进真实的瀑布场景建模。克服了传统瀑布建模中忽略物理因素带来的模型纹理失真。实现物理属性参数驱动的瀑布水流表面纹理真实模拟。
文档编号G06T15/00GK101937576SQ20101027676
公开日2011年1月5日 申请日期2010年9月8日 优先权日2010年9月8日
发明者伍朝辉, 刘益帆, 吴威, 周忠, 赵沁平 申请人:北京航空航天大学