基于反射率的多尺度水面重建方法-中国科学.PDFVIP

中国科学: 信息科学 2017 年 第47 卷 第10 期: 1369–1380 论文 基于反射率的多尺度水面重建方法 1,2* 1,2 1,2 1 3 沈亮 王昱哲 张娟 朱登明 石敏 1. 中国科学院计算技术研究所虚拟现实实验室, 北京 100190 2. 中国科学院大学, 北京 100049 3. 华北电力大学控制与计算机工程学院, 北京 102206 * 通信作者. E-mail: shenliang@ict.ac.cn 收稿日期: 2016–12–21; 接受日期: 2017–02–04; 网络出版日期: 2017–08–25 国家自然科学基金(批准号: 和国家高技术研究发展计划 (863 计划) (批准号: 2015A A016401) 资助项目 摘要 为了生成逼真的水面动画 以单摄像头拍摄的水面视频作为输入数据 本文提出一种基于反 射率的多尺度水面重建方法 在传统 方法的基础上构建了加入反射率条件的模型 求解整体水 面高度场数据 并利用局部优化算法使得高度场对波浪的拟合更加准确 得到真实生动水面形态 针 对单帧求解中波浪跳变的问题 利用浅水方程求解高度场中点的速度信息 根据各点的速度在时域 上对求得的水面动画进行平滑 最后提出了一种高效实用的波浪翻滚重建算法 可根据水面实际情 况 利用求得的速度信息和高度场的梯度数据再现波浪的翻滚效果 使得波浪更加生动 结果表明 使用该方法可以得到具有真实感的水面动画视频 满足各项工业领域用户的需求 关键词 水面 重建 数据驱动 浅水方程 反射率 引言 水的流体运动是生活中最常见的自然现象 经常出现在电影、电视和游戏等领域的作品中 因此 流体水面的模拟和合成一直是图形学研究中的一个重要领域 传统的水面重建方法中 最早使用的是 基于经验模型的建模方法 通过收集潮汐数据或利用噪声来设置模型 直接构造水表面形态 方法较 为直观 计算量较小 但却也只适用于大规模海面的模拟 难以再现波浪细节 之后基于流体物理方程 的方法成为主流 根据水体初始状态和物理方程计算求解水体的各项物理属性 可以再现高真实感的 水体运动 但是计算量大且耗时长 对相关参数的设置较为敏感 当前 随着各种高精度数据采集设备 的便携化 研究的热点转移到基于数据驱动的水面重建方法上来 该类方法利用各种传感器设备从自 然界中采集数据 更加符合真实的物理规律 降低了求解的复杂程度 提高了效率 并保证了重建的真 实感 引用格式 沈亮 王昱哲 张娟 等 基于反射率的多尺度水面重建方法 中国科学 信息科学 ⃝ 《中国科学》杂志社 沈亮等: 基于反射率的多尺度水面重建方法 本文提出一种新的户外水面重建框架 基于单摄像头拍摄的户外水面视频 重建出较为精准的水 面高度场数据 然后根据高度场求解浅水方程 使得重建的水面在时序上更加连续 并提出一种高效 的波浪翻滚重建算法 使得重建得到的波浪动画更加生动真实 相关工作 利用拍摄的视频信息构建相关模型进行水体的重建是一个较新且具有广大前景的研究方向 研究 者们也设计了许多不同的重建框架来进行水面动画的重建 针对室内可控水体的重建方法大多需要进行特别的设计或者对水体进行特殊处理 在文献 中 主要利用光线折射的原理 拍摄水底特定的图案或形状的形变 建立图像扭曲和水面梯度的折射 关系模型 重建得到水面高度场数据 但却局限于对浅水的微小波动进行重建 等 使用荧光物 质对水体染色 利用多台摄像机对水在黑暗的环境拍摄 通过荧光的强度计算水体厚度 构造出流体表 面 等 也事先