[发明专利]流体场景光照参数计算方法

摘要

本发明公开了一种流体场景光照参数计算方法，该方法旨在利用视频流的样例帧，得到视频流体光照参数。该方法首先采用Lambertian模型，结合流体表面几何信息，快速计算Lambertian模型光照参数。进而利用流体场景中像素粒子的镜面反射信息，利用Phong模型，快速计算得到了镜面反射指数及参数。通过实验测试及误差分析，证明了本发明具有方便、实用、有效的特点。本发明可有效地应用于流体的反向工程的研究及应用中，可以快速进行流体场景真实感的重仿真，轻松获得与样例流体外观一致的光照效果，克服了现有的流体光照计算中计算量大以及需要用户初始化等问题。

主权项

1.一种流体场景光照参数计算方法，其特征在于，选择流体视频的任意一帧即样例帧F，建立坐标系:以图像所在的空间为XOY平面、垂直XOY平面向上方向为Z方向；按照以下步骤进行计算：步骤1：计算流体的Lambertian参数及Lambertian成分,具体方法如下:(1‑a)利用F中的所有满足(1)式的像素构造像素集L；Ip≤TL   (1)Ip是F中任意一个像素P的强度，Ip计算为：Ip＝0.299*R+0.587*G+0.114*B   (2)R、G和B是P像素在RGB色彩模型中颜色分量；TL是强度阈值，其计算为TL＝(Dmax‑Dmin)*3/8+Dmin,Dmax和Dmin分别是样例帧F中所有像素强度的最大值和最小值；(1‑b)利用像素集L，线性拟合出光源位置参数p和q，p是与光源方向在XOY平面上偏转角有关的参数，q是与光源方向倾斜角有关的参数；步骤如下：取L中任一对像素P₁和P₂，如果P₁的颜色在RGB色彩模型中颜色分量为R₁、G₁和B₁，P₂的颜色为R₂、G₂和B₂，首先计算流体场景的高度，并记P₁和P₂的高度分别记为h₁和h₂；计算h₁和h₂在XOY平面沿X方向的差分，记为和计算h₁和h₂在XOY平面中沿Y方向的差分记为和根据Lambertian光照模型：其中，IR，IG和IB分别是光源强度在RGB三个通道的分量；由(3)和(4)得其中，由(5)和(6)得其中，由(7)和(8)得其中，可见，利用L中任取一对像素，根据Lambertian光照模型,能够得到3个约束，由公式(9)、(10)和(11))构成；现从L中任取N对像素，线性拟合出光源位置参数p和q；N是自然数，如果L中有E个像素，E>2000,那么1000≤N≤E/2；(1‑c)利用像素集L，计算流体场景每个像素的Lambertian成分；具体步骤如下：从L中取n个像素，其中n<E，n个像素中任何一个像素P_i的颜色在RGB色彩模型中颜色分量为R_i、G_i和B_i，设P_i的高度为h_i，h_i在XOY平面沿X方向的差分记为h_xi，沿Y方向的差分记为根据Lambertian模型：其中，IR，IG和IB是光源强度在R、G和B三个通道的分量；利用这n个像素,根据(12)计算得到n个光源强度在R通道的结果，利用这些结果构建集合采用k‑means方法进行聚类得到光源R通道强度I_R，具体地，对于任意一对S_R中任意两个元素和如果满足：那么，和被聚为同一类，和是集合中的两个不同的元素，m₁和m₂是序号，并且满足0≤m₁≤n‑1，0≤m₂≤n‑1，同时m₁≠m₂；为R通道强度之间差异的阈值；最后，将聚得样本最多的类中所有强度的均值作为I_R；同理，利用这n个像素,根据(13)和(14)能够得到G通道和B通道的光源强度IG和IB；以下是流体场景每个像素的Lambertian成分的计算对于流体样例帧F中任意像素P，根据式(16)到(18)求得Lambertian成分：LR，LG和LB是Lambertian成分在R、G和B三个通道的分量；hx和hy分别是像素P的高度h在XOY平面上沿X方向的差分和沿Y方向的差分；步骤2：利用Phong模型，计算镜面反射参数(2‑a)镜面反射成分按照以下步骤计算利用式(19)到(21)计算样例帧F的任意像素P镜面反射成分；其中，rR表示镜面反射成分在R通道的分量，rG表示在G通道的分量，rB表示在B通道的分量；(2‑b)镜面反射参数按照以下步骤计算对于F中任意像素P，根据Phong模型：其中，和为环境光成分，和为漫反射成分，利用Lambertian成分代替环境光成分与漫反射成分的和,即:和是镜面反射率，和分别是镜面反射在RGB三个通道的光强；R_m是流体表面任意一点反射光方向的单位向量，V是视线方向的单位向量，α是镜面反射指数；那么，由(19)至(24)式得：利用P的高度h代替公式(25)至(27)中Rm和V的点积Rm·V；进一步，对于F中取任意两个镜面反射成分大于0的像素P₁和P₂，如果P₁在RGB三个通道的镜面反射成分为和P₂在RGB三个通道的镜面反射成分为和P₁的高度假设为h₁，P₂的高度假设为h₂；那么根据(25)至(27)式得：利用P1和P2，由(28)和(29)计算得到的镜面反射指数记为αR，那么：由(30)和(31)计算得到的镜面反射指数记为αG，则：由(32)和(33)计算得到的镜面反射指数记为αB，则：其中，表示像素P₁在R通道的镜面反射强度，表示像素P₁在G通道的镜面反射强度，表示像素P₁在B通道的镜面反射强度；表示像素P₂在R通道的镜面反射强度，表示像素P₂在G通道的镜面反射强度，表示像素P₂在B通道的镜面反射强度；如果流体样例帧F中镜面反射成分都大于0的像素有M对，那么利用(34)式计算得到M个R通道的结果并构成集合采用k‑means方法进行聚类得到R通道的镜面反射指数，具体地，对于任意一对SS_R中任意两个元素和如果满足：那么和被聚为同一类,为镜面反射指数之间差异的阈值，和是集合中的两个不同的元素，U和V是序号，并且满足0≤U≤M‑1，0≤V≤M‑1，同时U≠V；最后，将聚得样本最多的类中所有镜面反射指数的均值作为R通道的镜面反射指数c表示聚类；同理，得到G通道和B通道的镜面反射指数和c表示聚类；在计算上述三个通道镜面反射指数和时，镜面反射指数之间差异的阈值为一个设定值，设为0.1；镜面反射指数计算为：在公式(25)至(27)中，记为记为记为这里称和为镜面反射强度分量，那么得：对F中所有镜面反射成分大于0的像素，根据它的颜色和高度值h，结合(39)至(41)，得到各个通道镜面反射强度分量和在RGB各个不同的通道中，镜面反射强度分量取自于该通道的不同像素计算结果的平均值，这样得到各个通道镜面反射强度分量和