[发明专利]基于Phong模型的视频流体光照计算方法

摘要

本发明公开了一种视频流体光照计算的方法，该方法旨在利用Phong模型，利用流体表面几何信息，快速计算Phong模型光照参数。首先，通过线性拟合的方法得到环境光及漫反射的成分。在此基础上，更新流体表面几何信息，进一步根据环境光成分、漫反射成分以及流体表面几何信息，通过聚类的手段，得到流体场景的镜面反射指数。最后根据流体表面的强度，计算得到流体场景的镜面反射成分。通过实验测试及误差分析，证明了本发明中所研究的方法很有效。本发明可有效地应用于流体的反向工程的研究及应用中，可以在重仿真中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

1.一种基于Phong模型的视频流体光照计算方法，其特征在于，对于视频流体采用RGB色彩模型，将流体视频的样例帧F中任意像素P的颜色分量表示为R、G和B，那么根据Phong模型有：其中，和是环境光在RGB三个通道的分量，称和为环境光成分；和是漫反射率,和分别是漫反射在RGB三个通道的强度；记为记为记为并称和为漫反射成分；L_m是场景中任意一点到光源方向的单位法向量，N是流体表面任意一点的单位法向量,V是视线方向的单位向量,L_m与V之间角平分线方向为E,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.根据V与R_m之间的夹角是N与E间夹角的两倍,利用计算公式(1)到(3)中L_m与N的点积L_m·N；和是镜面反射率，和分别是镜面反射在RGB三个通道的光强；α是镜面反射指数；记为记为记为称和为镜面反射成分；利用像素P的高度hP代替公式(1)至(3)中Rm和V点积Rm·V，那么，由(1)到(3)得：利用以下步骤有效计算流体场景的光照参数：(1)、计算Phong光照模型的环境光成分及漫反射成分,具体地：(a)利用流体视频样例帧F中的所有满足(7)式的像素构造集合L；Dp≤TL  (7)Dp是像素P的强度，Dp计算为：Dp＝0.299*R+0.587*G+0.114*B  (8)式(7)中TL是强度阈值，其计算为TL＝(Dmax‑Dmin)*2/9+Dmin,Dmax和Dmin分别是F中所有像素强度的最大值和最小值；(b)利用集合L,计算流体场景的环境光及漫反射成分，具体地：对于L中任意一个像素Q，根据公式(4)到(6)可得：其中，和是Q在RGB三个通道的强度分量；计算流体表面高度h_Q,并利用L中的所有像素的信息，对于(9)、(10)和(11)中环境光成分和以及漫反射成分和采用线性拟合方法求解；(2)、更新流体表面高度信息将步骤(1)中得到的R通道的环境光成分及漫反射成分代入公式(9)，重新计算每个粒子高度h_Q，将h_Q记为h_R；将G通道的环境光成分及漫反射成分代入公式(10)，重新计算每个粒子高度h_Q，将h_Q记为h_G；将B通道的环境光成分及漫反射成分代入公式(11)，重新计算每个粒子高度h_Q，将h_Q记为h_B；最后，粒子的高度信息更新为h_n＝(h_R+h_G+h_B)/3；(3)、镜面反射指数及镜面反射成分计算(a)利用F中的所有满足(12)式的像素构造集合H；Dp≥TH  (12)TH是强度阈值，计算为TH＝(Dmax‑Dmin)*8/9+Dmin；(b)利用H计算镜面反射指数及镜面反射成分对于H中任两个像素P1和P2，如果P1的颜色为R1、G1和B1，P2的颜色为R2、G2和B2，P1的高度假设为h1，P2的高度假设为h2；根据Phong光照模型：由式(13)和(14)能够从R通道得到镜面反射指数的结果αR：其中利用H中任意一对像素计算能够得到一个R通道的镜面反射指数；取N_R对像素，然后利用(13)、(14)及(19)，得到N_R个R通道的计算结果并构成集合N_R是自然数，1000≤N_R≤5000；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，U和V是序号，并且满足0≤U≤N_R‑1，0≤V≤N_R‑1，同时U≠V；为镜面反射指数之间差异的阈值；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c表示聚类；同样道理，能够得到G通道和B通道的镜面反射指数和在计算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；最后,镜面反射指数计算为：对于F中任意像素P，按照以下方法计算镜面反射成分和由公式(4)、(5)和(6)得：对所有像素计算的R通道镜面反射成分的平均值作为的结果，类似的，能够得到G通道镜面反射成分的结果以及B通道中镜面反射成分的结果