一种基于真实数据的乱序水面编辑方法技术

本发明专利技术是一种基于真实数据的乱序水面编辑方法。步骤如下:（1）利用搭建的多相机采集系统拍摄乱序水面运动图像，利用基于水面折射原理的算法重建真实水面高度场。（2）利用二维FFT方法将单帧二维高度场数据转换为二维频域数据，逐帧进行FFT计算，得到逐帧变化的二维频域数据。（3）利用三角函数拟合每一组随时间变化的频域值。设定误差阈值，利用L-M方法求解拟合参数。若超出误差阈值，则继续精细拟合或者保持周期性变化。（4）编辑利用真实数据求解得到的频域数据。（5）对于采集水面的后续运动，利用二维IFFT方法逐帧计算高度场。（6）对于编辑得到的水面高度场，利用随机振动统计理论进行分析。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于计算机虚拟现实
，具体地说是ー种基于真实数据的乱序水面编辑方法，涉及真实数据的频域转换，频域值编辑，高度值编辑，编辑数据与真实数据的统计分析等求解方法，该方法可用于乱序水面真实数据的编辑。
技术介绍
自然现象的建模与绘制一直是虚拟现实、计算机图形学和计算机视觉领域的重要研究内容，也是计算机图形学研究的重点和难点。水作为自然现象的一部分，其逼真建模与真实感绘制的研究有着重要意义。在三维游戏、电影特效、虚拟现实、地理信息系统等许多领域，都有着重要的应用，需要绘制具有不同程度真实感的水面运动场景，且需要不同程度的可交互性。一直以来，常用的水面建模方法，主要是基于物理模型的数值模拟方法。该方法基于流体力学和海洋学等学科的物理规律，用数值计算的方法求解物理方程，得到每ー时刻水的物理量。该方法基于特定物理规律或数学模型，能够反映水面静态和动态规律。但是，该方法计算量大，每ー帧的计算都需要求解大量的偏微分方程；为了达到可计算性、实时性等要求，不同模型都进行了一定程度的简化，简化模型对參数很敏感，有些非简化的数学模型又涉及大量參数，这些參数的精确指定很困难。因此，该方法參数精确调整和指定比较困难，建模得到的视觉效果往往与真实的自然现象有差別，而且对于运动的水的复杂细节特征，不能很好的表现。随着相机技术的发展，基于相机采集图像的建模方法成为另ー种重要的建模方法。利用多相机系统采集得到的水面信息来自于真实世界，可以完整的保留真实现象，并且可以表现更丰富的细节特征。此外，多相机系统具有成本相对低廉，计算效率较高，对环境要求较低的优点。但是，基于相机图像数据的建模方法只能计算得到特定的物理量(水面高度场)，并不能直接反映物理规律，不能得到描述该现象的物理或数学模型。对于小范围乱序水面运动，利用基于采集图像的方法可以得到真实数据。因此，对于该现象，本专利技术提出一种基于真实数据的编辑方法，将两种方法相结合，综合利用二者的优点，利用采集设备得到真实数据，求解真实数据的模型參数，通过编辑模型參数，得到编辑后的后续帧乱序水面波动，它相比真实数据时间更长但总体满足相同的运动规律。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题:克服现有技术的ー些局限性，提出，该方法可以得到相比真实数据时间更长，但总体满足相同运动规律的乱序水面波动。本专利技术的技术解决方案:利用多相机采集系统获取真实的乱序水面数据，通过二维FFT计算得到频域值，通过三角函数拟合频域值随时间的变化，并且设定误差阈，判断拟合效果。根据不同的拟合效果进行不同的频域数据编辑，利用编辑后的频域数据通过二维IFFT计算得到后续帧的高度场，通过比较真实数据与编辑数据的统计规律，判断编辑效果。若编辑效果不理想，则不再编辑高度值，认为其作周期性变化。具体为:—种基于真实数据的乱序水面编辑方法，其特征在于具体步骤如下:(I)利用搭建的多相机采集系统得到真实的乱序水面运动数据；在采集系统的水缸水下放置黒白棋盘格，利用变化的风吹或喷洒生成乱序水面运动现象，水面满足无规律的随机振动，利用标定过的多台高速相机拍摄ー组水面运动图像，得到各相机图像特征点的映射关系，利用基于折射原理的水面重建算法及重采样插值算法，得到采样点有序的水面高度场，该高度场即为采集得到的真实数据；(2)用FFT方法求解变化的频域数据；具体为使用步骤(I)中的水面高度场，逐帧进行ニ维FFT计算，得到变化的ニ维频域数据；对于单帧高度场，通过ニ维FFT计算，得到该帧的ニ维频域值；逐帧计算得到ニ维频域数据中每组频域值随时间的变化，具体为:若高度场采样点密度为M*N，对于单帧ニ维FFT计算得到的M*N个频域数据，逐帧计算可以得到M*N组频域值随时间的变化规律；(3)利用三角函数对每组频域值随时间的变化规律进行三角函数拟合；使用步骤(2)中的ニ维频域数据，利用三角函数拟合每一组随时间变化的频域值；首先利用单个三角函数拟合，设定误差阈值，利用L-M(Levenberg-Marquardt)方法求解最小ニ乘拟合问题，得到三角函数的參数；若超出误差阈值，用叠加的三角函数再次进行最小ニ乘拟合求解；再次与误差阈值进行比较，若仍然大于设定阈值，即函数拟合不合理，则后续过程不编辑频域数据值，保持周期变化；若小于设定阈值，则函数拟合合理，后续过程利用三角函数自动编辑频域数据值；(4)利用步骤(3)计算得到的三角函数參数，利用拟合三角函数自动编辑ニ维频域值；具体为以采集帧数作为ー个周期，利用步骤(3)计算得到的三角函数參数，利用拟合三角函数自动编辑步骤(2)中得到的频域数据；若三角函数拟合效果满足误差阈值限制，则利用拟合函数自动编辑频域值，计算后续帧的频域值。否则，不编辑该频域值，频域值以采集帧数为ー个周期作周期性变化；(5)利用编辑后的频域数据通过IFFT计算得到后续帧水面高度场；具体为使用步骤(4)中编辑得到的频域值，对于采集乱序水面后续的运动，对于单帧的编辑后的频域数据，利用ニ维IFFT方法求解得到该帧的水面高度场，通过逐帧计算从而得到后续水面的运动；(6)对于编辑得到的后续水面高度场，以采集帧数为ー个周期，利用随机振动的统计理论进行分析。若该点高度值在不同周期内符合相同的统计规律，编辑效果较好；若不符合，则编辑效果较差，不再编辑该点高度值，认为高度值以采集帧数作为ー个周期作周期性变化。本专利技术与现有技术相比的优点在干:(I)本专利技术所提出的编辑方法，可以得到相比采集过程更多的乱序水面数据，从而只用采集少量帧的乱序水面运动，即可得到更长时间的乱序水面运动现象。(2)本专利技术所提出的编辑方法，相比一般的乱序水面构造方法，其来源于真实数据，得到的水面运动结果更符合真实世界的水面运动规律，且省去了复杂的參数调整过程。【附图说明】图1为本专利技术方法的流程图；图2为本专利技术方法的采集设备；图3为本专利技术中得到的真实数据；图4为本专利技术中得到的编辑数据。【具体实施方式】如图1所示，本专利技术包括乱序水面真实数据获取，二维高度场域数据到二维频域数据的转换，频域数据的三角函数拟合与编辑，编辑后的二维高度场的计算，真实数据与编辑数据的统计分析比较的过程。1、乱序水面真实数据的获取，其步骤为:在采集系统的水缸水下放置黒白棋盘格，利用变化的风吹或喷洒生成乱序水面运动现象，水面满足无规律的随机振动，利用标定过的多台高速相机拍摄ー组水面运动图像，得到各相机图像特征点的映射关系，利用基于折射原理的水面重建算法，得到水面高度场，即为采集得到的真实数据。2、高度场域数据到频域数据的转换，其步骤为:使用步骤(1)中的真实高度场，逐帧进行二维FFT 计算，得到变化的二维频域数据。对于单帧高度场，通过二维FFT计算，得到该帧的二维频域值，逐帧计算得到其变化特征。设A(u，v)表示二维频域值，h(x, y)表示二维高度值，N1, N2表示二维采样密度，具体的FFT计算公式如下:本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于真实数据的乱序水面编辑方法，其特征在于具体步骤如下：（1）利用搭建的多相机采集系统得到真实的乱序水面运动数据;在采集系统的水缸水下放置黑白棋盘格，利用变化的风吹或喷洒生成乱序水面运动现象，水面满足无规律的随机振动，利用标定过的多台高速相机拍摄一组水面运动图像，得到各相机图像特征点的映射关系，利用基于折射原理的水面重建算法及重采样插值算法，得到采样点有序的水面高度场，该高度场即为采集得到的真实数据;（2）用FFT方法求解变化的频域数据;具体为使用步骤（1）中的水面高度场，逐帧进行二维FFT计算，得到变化的二维频域数据;对于单帧高度场，通过二维FFT计算，得到该帧的二维频域值;逐帧计算得到二维频域数据中每组频域值随时间的变化,具体为：若高度场采样点密度为M*N，对于单帧二维FFT计算得到的M*N个频域数据，逐帧计算可以得到M*N组频域值随时间的变化规律;（3）利用三角函数对每组频域值随时间的变化规律进行三角函数拟合;使用步骤（2）中的二维频域数据，利用三角函数拟合每一组随时间变化的频域值;首先利用单个三角函数拟合，设定误差阈值，利用L?M(Levenberg?Marquardt）方法求解最小二乘拟合问题，得到三角函数的参数;若超出误差阈值，用叠加的三角函数再次进行最小二乘拟合求解;再次与误差阈值进行比较，若仍然大于设定阈值，即函数拟合不合理，则后续过程不编辑频域数据值，保持周期变化；若小于设定阈值，则函数拟合合理，后续过程利用三角函数自动编辑频域数据值;（4）利用步骤（3）计算得到的三角函数参数，利用拟合三角函数自动编辑二维频域值;具体为以采集帧数作为一个周期，利用步骤（3）计算得到的三角函数参数，利用拟合三角函数自动编辑步骤（2）中得到的频域数据;若三角 函数拟合效果满足误差阈值限制，则利用拟合函数自动编辑频域值，计算后续帧的频域值。否则，不编辑该频域值，频域值以采集帧数为一个周期作周期性变化;（5）利用编辑后的频域数据通过IFFT计算得到后续帧水面高度场；具体为使用步骤（4）中编辑得到的频域值，对于采集乱序水面后续的运动，对于单帧的编辑后的频域数据，利用二维IFFT方法求解得到该帧的水面高度场,通过逐帧计算从而得到后续水面的运动;（6）对于编辑得到的后续水面高度场，以采集帧数为一个周期，利用随机振动的统计理论进行分析。若该点高度值在不同周期内符合相同的统计规律，编辑效果较好;若不符合，则编辑效果较差，不再编辑该点高度值，认为高度值以采集帧数作为一个周期作周期性变化。...

【技术特征摘要】
1.一种基于真实数据的乱序水面编辑方法，其特征在于具体步骤如下: (1)利用搭建的多相机采集系统得到真实的乱序水面运动数据；在采集系统的水缸水下放置黒白棋盘格，利用变化的风吹或喷洒生成乱序水面运动现象，水面满足无规律的随机振动，利用标定过的多台高速相机拍摄ー组水面运动图像，得到各相机图像特征点的映射关系，利用基于折射原理的水面重建算法及重采样插值算法，得到采样点有序的水面高度场，该高度场即为采集得到的真实数据； (2)用FFT方法求解变化的频域数据；具体为使用步骤(1)中的水面高度场，逐帧进行二维FFT计算，得到变化的二维频域数据；对于单帧高度场，通过二维FFT计算，得到该帧的二维频域值；逐帧计算得到二维频域数据中每组频域值随时间的变化，具体为:若高度场采样点密度为M*N，对于单帧二维FFT计算得到的M*N个频域数据，逐帧计算可以得到M*N组频域值随时间的变化规律； (3)利用三角函数对每组频域值随时间的变化规律进行三角函数拟合；使用步骤(2)中的二维频域数据，利用三角函数拟合每一组随时间变化的频域值；首先利用单个三角函数拟合，设定误差阈值，利用L-M(Levenberg-Marquardt)方法求解最小二乘拟合问题,得到三角函数的參数；若超出误差阈值，用叠加的三角函数再次进行最小二乘拟合求解；再次与误差阈值进行比较，若仍然大于设定阈值，即函数拟合不合理，则后续过程不编辑频域数据值，保持周期变化；若小于设定阈值，则函数拟合合理，后续过程利用三角函数自动编辑频域数据值； (4)利用步骤(3)计算得到的三角函数參数，利用拟合三角函数自动编辑二维频域值；具体为以采集帧数作为ー个周期，利用步骤(3)计算得到的三角函数參数，利用拟合三角函数自动编辑步骤(2)中得到的频域数据；若三角函数拟合效果满足误差阈值限制，则利用拟合函数自动编辑频域值，计算后续帧的频域值。否则，不编辑该频域值，频域值以采集帧数为ー个周期作周期性变化； (5)利用编辑后的频域数据通 过IFFT计算得到后续帧水面高度场；具体为使用步骤(4)中编辑得到的频域值，对于采集乱序水面后续的运动，对于单帧的编辑后的频域数据，利用二维IFFT方法求解得到该帧的水面高度场，通过逐帧计算从而得到后续水面的运动； (6)对于编辑得到的后续水面高度场，以采集帧数为ー个周期，利用随机振动的统计理论进行分析。若该点高度值在不同周期内符合相同的统计规律，编辑效果较好；若不符合，则编辑效果较差，不再编辑该点高度值，认为高度值以采集帧数作为ー个周期作周期性变化。2.根据权利要求1所述ー种基于真实数据的乱序水面编辑方法，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：齐越，王郁菲，邹玲，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
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