[发明专利]一种结合多物理属性的动态纹理瀑布建模方法

说明书

技术领域

本发明属于虚拟现实技术领域，具体来说是虚拟现实技术中物体真实感仿真中动态纹理的一种建模方法。

背景技术

虚拟现实所需要模拟千差万别的目标，通常要求输入和输出图像序列具有稳定的内容和一定程度的运动形态重复特征。对于瀑布场景这样动态性很高的仿真一般由于模型表示能力的局限性，在表达运动形态的目标时，动态纹理的真实效果和可信程度至关重要。

使用传统计算机图形学的三角面片的方法来模拟瀑布场景计算量很大而且效果往往不理想。目前对瀑布仿真的研究主要集中在以下两种途径：基于粒子系统的模拟方法；图像或视频纹理合成的瀑布仿真方法。

基于粒子系统的瀑布模拟：1983年，Reeves首先提出了粒子系统。粒子系统用非常简单的体素来构造复杂的物体，充分体现了不规则模糊物体的动态性和随机性。由于粒子系统的模拟是按照一定的约束方程对每个粒子分别进行位置、速度、性质以及生存状态的计算，这一特性使得其在瀑布建模上克服了传统三角面片对不规则物体仿真的运动失真。但是粒子系统中每个粒子都使用统一的纹理使得其表达瀑布的真实感上存在缺陷。

利用图像或视频纹理合成的瀑布模拟：1999年的ICCV会议上，Efros和Leung提出了基于MRF模型的点匹配纹理合成，简单有效，能很好的合成一些随机纹理。Arno Schodl[1]在2000年的SIGGRAPH年会上提出了一种新的媒体——视频纹理。视频纹理同时具有图像和视频的特征：时序稳定性和内容动态性。利用视频纹理，可以实现利用有限样本表达无限信息的目标。以上特性使得其在瀑布建模上能表现出瀑布表面的视觉真实感。但缺点在于由于这些合成的纹理仅仅具有二维属性，使得模拟的瀑布场景不能进行三维漫游。

可以把关于动态纹理的研究方法分为三类：第一类方法把动态纹理当作时间序列分析，应用ARMA模型或者ARMA模型的扩展形式进行研究。第二类方法是基于纹理合成的扩展方法，由于其原本只是针对纹理图像设计的。第三类方法如视频纹理方法，它介于基于物理模型的仿真方法和时间序列方法之间。

时间序列分析主要指采用参数模型(特指ARMA模型)对所观测的有序的随机数据进行分析与处理的一种数据处理、系统辨识和系统分析方法。Szummer和Picard提出的时间纹理模型采用时-空自回归(STAR)模型表示动态纹理，STAR模型是自回归(AR)模型的三维扩展形式。该方法对非线性、不稳定动态纹理和受控合成动态纹理的想过任然不够理想。

纹理合成是计算机图形学和计算机视觉中相当活跃的研究领域，应用纹理合成方法的扩展形式合成。Bar-Jaseph提出的时变纹理方法是一种基于统计学习的通用的纹理信号建模方法。该方法由于其原本只是针对纹理图像设计的，所以也局限于处理由纹理图像序列所组成动态纹理。

Schodl等人提出的视频纹理方法的思想是：给定一段动态纹理视频，只要视频中存在足够的相似帧，在视频的播放过程中，就可以不断的从跳变点处往回切换，合成任意长度的视频。由于视频播放次序的重组总是要求切换帧之间相似，然而许多动态纹理不符合这一要求，这是第三类方法难以跨越的障碍。

近期研究者结合粒子系统和动态纹理的方法对瀑布进行了具有真实感、动态性的模拟，但是在纹理的合成上没有考虑瀑布自身各项物理属性的对其纹理的影响。所以存在一个缺点：对一个没有真实纹理采集的订制瀑布场景，无法合成符合其真实物理特性的动态纹理，以至于渲染结果的可信度较差。

总的来说，在瀑布的建模上粒子系统和动态纹理的结合能进行动态性和真实感较强的仿真。而动态纹理合成技术的研究工作尚未成熟，没有考虑到多种物理属性对纹理特性的影响，无法真实可信的估计出位置物理状态下的目标纹理形态特征。而在虚拟现实对瀑布的模拟仿真中可信度有着有至关重要的作用。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服了目前已有的所有瀑布动态纹理生成方法中都忽略瀑布本身的多种物理属性对其形成的纹理特征有着一定相关影响这一缺点。为已有的瀑布纹理建模方法在仿真一个订制瀑布场景时使用的纹理可信度较低的问题提出了一个可行的解决方案。

本发明提出一种综合考虑水流流速、流量、落差、地形等物理因素对瀑布动态纹理的影响，进而建立与特定场景相对应的真实感瀑布模型的方法。包括以下步骤：

1)在不同物理条件下大量采集各种瀑布在不同时段环境下的实地物理属性(包括水流流量、流速、瀑布落差、日照情况)以及相应纹理数据；

2)在步骤1)采集的视频纹理数据中预处理捕获的视频纹理数据，生成纹理样本向量；

3)定义物理属性和其他纹理控制参数的相关性，并计算映射函数；