[发明专利]一种基于三变量双调和B样条的流体表面的时空向量化方法

说明书

本发明提供一种基于三变量双调和B样条的流体表面的时空向量化方法，包括：基于SFS的流体视频高度场还原；基于浅水方程的流体速度场还原；基于三变量双调和B样条的数据拟合；基于粒子表示的三维流体重现。本发明只需要使用单目流体视频作为输入，自动分析视频中流体的几何和速度信息，并利用三变量双调和B样条，实现了流体表面几何和速度在时间和空间维度上的连续化，利用连续化结果，可实现流体表面在时间和空间维度的超分辨还原；此外，本发明基于粒子实现了流体的重仿真，将流体视频还原为三维流体，进一步证明了实现视频流体运动特征驱动的物理仿真的可能性。

技术领域

本发明涉及计算机视觉、计算机计算几何、流体仿真技术领域。

背景技术

近年来，随着虚拟现实领域的快速发展，对自然环境中复杂对象和大规模场景的仿真需求日益增加。在诸多自然场景中，流体和类流体行为是普遍存在的现象之一，例如海浪、河流、瀑布、洪涝、浮云、雾霾、烟雾、火灾等大规模场景，及露珠、水滴、气泡、沸水、油污、水彩、油画、燃烧、血流等小规模场景，均有流体或类流体参与，并呈现出绚丽多变的视觉效果。因此，对流体和类流体行为的建模与仿真，得到了大量优秀研究者的关注，逐渐成为虚拟现实领域研究的重点方向之一。

此外，随着流体仿真技术在影视制作、3D游戏制作、自然现象展示、医学手术教学(模拟血液血管的交互、流血现象等)等方面的广泛应用，考虑到计算机的计算能力与场景建模和制作成本的限制，如何在尽可能保证流体物理规律正确性的前提下提高仿真效率，如何保证流体场景整体和细节上的高视觉逼真度，成为亟需解决的技术问题，也进而促进了流体仿真技术的发展。

计算机行业中，对流体仿真技术的研究主要分为两个方向，计算流体动力学(Computer Fluid Dynamics，CFD)与图形学流体仿真(Fluid Animation)。其中，计算流体动力学，以科学严谨的方式，研究流体运动的物理规律，进行精确的数值求解，其主要目的，是解决工业界流体相关场景等高精确度仿真要求环境下的流体建模和模型求解问题。其后，随着计算机图形学技术的进步和计算机成像效果的提升，以追求仿真效果视觉逼真度为目的的图形学流体仿真进入快速发展阶段。1996年，首次实现了基于Navier-Stokes方程的图形学流体仿真，这种不要求精确的流体动力学方程求解，但同时又能保证视觉逼真效果的流体仿真方法，迎合了影视、游戏制作等娱乐行业的发展需要，并同时符合医学领域教学仿真需求。

尽管已经拥有二十多年的发展历史，流体仿真仍然是一个具有挑战性的计算机图形学问题，这是由流体现象的复杂性造成的。基础仿真方法，虽然可以对较简单的自然现象进行较好的仿真，但对于自然界中存在的复杂自然现象和大规模流体场景的精确仿真，现存方法还不能进行准确描述。单纯的物理建模难以满足仿真需求，因此，大量学者将数据驱动的方法引入到了流体仿真技术中，希望以真实流体的运动状态驱动流体仿真的进行。但由于流体不具有固定的几何结构，流体数据的获取和分析，又成为数据驱动思路中新的难点。

针对科研和娱乐市场的大量需求，对于高精度高效率的流体建模和仿真方法的研究具有重要意义与价值，其研究成果将在实际生活中得到广泛应用。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明基于三变量双调和B样条的流体表面的时空向量化方法，该方法通过对流体视频的分析，提取流体的高度信息和速度信息，并通过聚类、数据拟合等方法，对流体信息进行归类和简化，并以此为驱动，实现新流体场景的仿真。

为完成发明目的，本发明采用的技术方案是：一种基于三变量双调和B样条的流体表面的时空向量化方法，其具体步骤如下：

一种基于三变量双调和B样条的流体表面的时空向量化方法，包含以下步骤：

(1)基于SFS的流体视频高度场还原：利用Shape From Shading方法重建流体表面高度场，在迭代过程中，使用Gaussian Filter和Guided Filter对高度场进行去噪，进行保留边界的平滑优化，还原流体表面几何形状；