一种基于采样数据的动态水面重建方法技术

本发明专利技术涉及一种基于采样数据的动态水面重建方法，属于虚拟现实技术领域。重建方法包括如下步骤：（1）搭建多相机动态水面数据采集装置，对相机进行标定，采集需要重建的动态水面运动场景图像；（2）从图像提取角点，确定图像角点和水底点的映射关系，并插值得到逐像素的映射关系；（3）多个相机两两分组，每组相机基于水面折射性质，采用体素细分剔除的方法重建水面高度场；（4）同一时刻的多组水面高度场之间进行加权融合，以减少不同相机图像噪声带来的重建误差；（5）多组水面高度场融合得到的结果进一步用于驱动基于物理的浅水方程模拟过程，生成既有真实数据支撑又有丰富细节效果的重建结果高度场。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于计算机虚拟现实
，具体涉及。
技术介绍
在计算机图形学和视觉领域，人们一直试图利用计算机再现周围的真实世界。液体，特别是水，作为一种基本的自然元素，是现实生活中常见的物质。在计算机中建模生成逼真的液体模型在电影特效、游戏娱乐、模拟培训、灾情预演等方面都有很高的应用价值。基于物理的流体模拟研究一直是计算机图形学中的一个热点。这类方法以计算流体力学(CFD)为基础，通过计算机数值求解的方式求解描述流体运动的物理方程，得到每一时刻流体的运动状态。经过二三十年的发展，基于物理的流体模拟方法已经可以模拟比较复杂的流体运动，模拟结果细节丰富，效果也越来越逼真。但是，这类方法也存在不少缺点，比如计算复杂度高、数值误差累积等，而且该方法求解的物理方程也不能完全描述真实世界中液体的所有运动形态。重建真实世界中的三维物体或现象是计算机视觉中一个非常重要的研究方向。近年来有人开始研究用基于图像的重建方法对液体进行建模。这类方法通常用多个相机在不同位置捕获液体运动的图像，然后用基于图像的建模方法从图像重建得到每一帧对应的液体三维模型。但液体属于非朗伯体，光线在表面会发生高光反射、折射等现象，而且液体本身时变剧烈，因此液体的重建是一个非常具有挑战性的工作。目前这类方法有了一些成果，已经可以重建运动平缓的液体场景。这类方法的数据来源于真实世界，因此重建结果比较真实。通常基于液体的折射属性，从图像角度出发进行重建，每个时刻多个相机共同参与重建得到一个模型直接输出。基于上述背景，本专利技术提出。多个相机两两分成多组后进行重建，重建得到的水面高度场之间进行加权融合，以减少不同相机图像噪声带来的重建误差。融合得到的水面高度场进一步用于驱动基于物理的浅水方程模拟过程，以结合两者的优势，生成有真实数据支撑而且细节丰富的最终重建结果高度场。另外，每组相机重建的方法从体素角度出发而非图像，计算效率更高。
技术实现思路
本专利技术的目的是:克服基于图像重建方法和基于物理模拟方法的一些局限性，提出，可以生成有真实数据支撑且细节丰富的水面模型。为完成本专利技术的目的，本专利技术采用的技术方案是:，使用多个相机采集动态水面数据，相机两两分组，每组相机用体素细分剔除的方法重建水面高度场，得到的多个水面高度场之间进行加权融合，得到水面融合高度场，水面融合高度场进一步驱动基于物理的浅水方程模拟过程，生成既有真实数据支撑又有丰富细节效果的重建结果高度场；其特征在于包括如下步骤:(I)搭建多相机的动态水面数据采集装置，已知大小的黑白棋盘格板紧贴于水底，多个相机置于水面上方周围不同视角，固定相机位置保证每个相机可拍摄到完整水底棋盘格图像，多个相机之间保证可同步采集图像。对多个相机进行内外参标定。制造需要采集的水面运动场景，多相机高速同步采集水面运动情况下水底棋盘格的图像；(2)初始时刻图像用Harris角点检测算法检测棋盘格角点，后续时刻图像角点用Lucas-Kanade光流法追踪确定；利用相机内外参，确定每个相机图像角点和水底棋盘格角点的映射关系；并对图像角点间的映射关系插值，得到逐像素的映射关系；(3)把相机两两分为多个组，基于步骤(2)求得的图像像素和水底棋盘格角点的映射关系，每个组利用体素细分剔除的方法重建得到多个水面高度场；(4)对于步骤(I)相机的每个采样时刻，利用步骤(3)不同组相机重建得到的水面高度场进行重投影计算重投影误差，对多个水面高度场进行加权融合，重投影误差小的水面高度场权重更大，得到水面融合高度场；(5)利用步骤(4)融合得到的水面融合高度场驱动基于物理的浅水方程模拟过程，模拟生成的浅水方程模拟高度场和水面融合高度场进一步融合，得到最终的重建结果高度场输出。所述步骤(3)中每组相机采用体素细分剔除的重建方法，其具体步骤为:把水体所在空间规则剖分为一个个三维体素，把每个体素中心点投影到本组所有相机，利用像素和水底棋盘格点的映射关系确定与投影像素对应的水底点，由相机光心、体素中心、水底点这三个点和折射定律求得体素中心点处的折射法向量；对于中心点水平坐标相同的多个体素，只保留所求法向量方向最一致的一个体素，其余体素剔除；进而对留下的体素继续进行如上所述的细分剔除过程，直到体素大小小于给定的阈值。所述步骤(4)中不同组多个水面高度场加权融合的方法，其目的是减少不同相机图像噪声带来的重建误差，其具体步骤为:首先利用每组水面高度场，将水底棋盘格角点重投影成像到该组中的任意一个相机，计算重投影成像点和原始图像对应角点的偏差，即为重投影误差；将水面区域划分为多个子区域，每个区域的水面融合高度场由每组水面高度场对应相同区域部分加权融合而成，重投影误差小的水面高度场权重设置更大。所述步骤(5)中利用水面融合高度场驱动基于物理的浅水方程模拟过程的方法，其目的是往水面融合高度场中添加浅水方程模拟高度场的细节效果，得到有真实数据支撑同时细节丰富的重建结果高度场，其具体步骤为:步骤(4)所述方法融合得到的初始时刻的水面融合高度场作为基于物理的浅水方程模拟求解的初始迭代高度场。对于相机后续的每个采样时刻点，把步骤(4)所述方法融合得到的水面融合高度场和浅水方程模拟高度场进一步加权融合，得到该时刻的重建结果高度场输出，重建结果高度场同时作为基于物理的浅水方程模拟下一迭代步的初始迭代高度场，驱动基于物理的浅水方程模拟后续过程。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是:(I)由图像重建水面模型的过程从体素空间出发，计算效率比从图像空间的高；(2)同一时刻相机重建的多组水面高度场加权融合，减少图像噪声带来的重建误差;(3)多组水面高度场间融合的结果进一步和浅水方程模拟高度场融合，增加水面的细节效果；(4)能够生成既有真实数据支撑又有丰富细节效果的动态水面模型。【附图说明】图1为本专利技术的步骤流程图；图2为本专利技术的动态水面数据采集装置图；图3为本专利技术的水面融合高度场驱动基于物理的浅水方程模拟过程原理图。【具体实施方式】下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步的描述。本专利技术提出，从真实世界采集重建得到虚拟现实
可重用的动态水面模型。具体实施过程如图1所示，包括搭建数据采集装置及动态水面数据采集、图像特征点匹配、多个相机的分组及每组内水面高度场的重建、多组水面高度场间的加权融合、利用水面融合高度场驱动基于物理的浅水方程模拟过程等步骤。1、搭建动态水面数据采集装置，装置如图2所示。用一个玻璃水箱盛放透明的纯净水，水底固定放置一张黑白棋盘格板，四个工业相机固定于水箱上方四周，离水面约Im左右，对着水面采集水底棋盘格图像。尽量让黑白棋盘格板区域填充满每个相机的图像区域，以增加像素利用率。黑白棋盘格纸镀上塑胶保护膜，然后粘贴固定于一块平面板上。这块黑白棋盘格板既用于四个相机的标定，也用于动态水面数据的采集。数据采集过程中，黑白棋盘格板直接投放固定于水箱底部与水直接接触，避免光线二次折射。四个相机通过一台控制PC以并口外触发的方式严格同步采集数据，图像数据通过1394线存储于PC内存，采集完成后转存硬盘。对四个相机进行内外参标定。相机的采样帧率最好大于30fps，采样分辨率尽量高，推荐高于800*600。黑白棋盘格方格大小不可太大，推荐IOmmX 10mm。相机内外本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于采样数据的动态水面重建方法，使用多个相机采集动态水面数据，相机两两分组，每组相机用体素细分剔除的方法重建水面高度场，得到的多个水面高度场之间进行加权融合，得到水面融合高度场，水面融合高度场进一步驱动基于物理的浅水方程模拟过程，生成既有真实数据支撑又有丰富细节效果的重建结果高度场；其特征在于包括如下步骤：（1）搭建多相机的动态水面数据采集装置，已知大小的黑白棋盘格板紧贴于水底，多个相机置于水面上方周围不同视角，固定相机位置保证每个相机可拍摄到完整水底棋盘格图像，多个相机之间保证可同步采集图像；对多个相机进行内外参标定；制造需要采集的水面运动场景，多相机高速同步采集水面运动情况下水底棋盘格的图像；（2）初始时刻图像用Harris角点检测算法检测棋盘格角点，后续时刻图像角点用Lucas‑Kanade光流法追踪确定；利用相机内外参，确定每个相机图像角点和水底棋盘格角点的映射关系；并对图像角点间的映射关系插值，得到逐像素的映射关系；（3）把相机两两分为多个组，基于步骤（2）求得的图像像素和水底棋盘格角点的映射关系，每个组利用体素细分剔除的方法重建得到多个水面高度场；（4）对于步骤（1）相机的每个采样时刻，利用步骤（3）不同组相机重建得到的水面高度场进行重投影计算重投影误差，对不同组多个水面高度场进行加权融合，重投影误差小的水面高度场权重更大，得到水面融合高度场；（5）利用步骤（4）重建融合得到的水面融合高度场驱动基于物理的浅水方程模拟过程，模拟生成的浅水方程模拟高度场和水面融合高度场进一步融合，得到最终的重建结果高度场输出。...

【技术特征摘要】
1.一种基于采样数据的动态水面重建方法，使用多个相机采集动态水面数据，相机两两分组，每组相机用体素细分剔除的方法重建水面高度场，得到的多个水面高度场之间进行加权融合，得到水面融合高度场，水面融合高度场进一步驱动基于物理的浅水方程模拟过程，生成既有真实数据支撑又有丰富细节效果的重建结果高度场；其特征在于包括如下步骤: (1)搭建多相机的动态水面数据采集装置，已知大小的黑白棋盘格板紧贴于水底，多个相机置于水面上方周围不同视角，固定相机位置保证每个相机可拍摄到完整水底棋盘格图像，多个相机之间保证可同步采集图像；对多个相机进行内外参标定；制造需要采集的水面运动场景，多相机 高速同步采集水面运动情况下水底棋盘格的图像； (2)初始时刻图像用Harris角点检测算法检测棋盘格角点，后续时刻图像角点用Lucas-Kanade光流法追踪确定；利用相机内外参，确定每个相机图像角点和水底棋盘格角点的映射关系；并对图像角点间的映射关系插值，得到逐像素的映射关系； (3)把相机两两分为多个组，基于步骤(2)求得的图像像素和水底棋盘格角点的映射关系，每个组利用体素细分剔除的方法重建得到多个水面高度场； (4)对于步骤(1)相机的每个采样时刻，利用步骤(3)不同组相机重建得到的水面高度场进行重投影计算重投影误差，对不同组多个水面高度场进行加权融合，重投影误差小的水面高度场权重更大，得到水面融合高度场； (5)利用步骤(4)重建融合得到的水面融合高度场驱动基于物理的浅水方程模拟过程，模拟生成的浅水方程模拟高度场和水面融合高度场进一步融合，得到最终的重建结果高度场输出。2.根据权利要求1所述的一种基于采样数据的动态水面重建方法，其特征在于:所述步骤(3)中每组相机采...

【专利技术属性】
技术研发人员：周忠，吴威，赖志坚，邵绪强，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11