[发明专利]一种数据驱动的水表面重建方法及系统

说明书

本发明提出一种数据驱动的水表面重建方法及系统，涉及图像处理和计算机视觉领域，该方法包括获取水面视频，根据所述水面视频的帧率，将所述水面视频解析成为单帧的图片；将所述图片进行分块，计算每个所述分块中水面的反射率，根据每个所述反射率，计算每个所述分块基于各自反射率的信息熵，并设置阈值，将所述信息熵小于所述阈值时，将小于所述阈值的信息熵对应的分块进行细分，生成新分块，计算所述新分块的信息熵，直到所述新分块的信息熵大于所述阈值，获取每个分块的高度场；将每个所述分块的高度场缝合为整体。

技术领域

本发明涉及图像处理和计算机视觉领域，特别涉及一种数据驱动的水表面重建方法及系统。

背景技术

在广告、影视作品、大规模游戏场景以及虚拟现实的各领域及应用中，自然场景的渲染占据着极其重要地位，能否让用户沉浸其中，体会到身临其境的感觉，是该邻域产品的核心价值的体现，因此自然场景的真实感模拟一直是计算机图形学研究的热点，国内许多流体模拟研究者正在研究如何在计算机中模拟更真实的流体，如何绘制更真实的流体以及如何使得模拟速度更快，而其中流体模拟，尤其是大规模水面和波浪的快速建模与真实感场景重建技术的应用前景非常的广泛，具有极高的实际应用价值，然而天然的流体运动是一种非常复杂的物理现象，受到地形、风速、波浪内部的涡动等多种因素的影响，同时波浪高低不齐、长短不一，时而表现为相对呈周期性的水波，时而也有形态剧烈变化、会卷曲和分裂的碎浪，还有飞溅的水花，其几何形状具有极强的不规则特性，因此，如何对不规则波浪进行模拟，以突出波浪动画的真实感，一直以来都是图形学领域研究的一个难点。

经典的液体建模主要是基于物理的建模方法，在数字世界中依照物理规律建模并模拟自然现象。已经有大量的研究工作关注于各种不同形态的液体流动现象，比如：液体表面、波浪、粘稠液体、液体固体交互等，目的是在遵从物理原理的条件下，运用计算机图形学技术逼真地进行模拟，基于物理的建模方法是根据液体初始状态和物理方程，计算求解液体的密度场，大多数方法在模拟复杂的液体运动现象时计算量大且耗时长，对参数设置非常敏感，特别是模拟复杂的细节特征难度较大。

由于相机等光学设备和技术的迅猛发展，高精度的采集设备得到广泛的应用，因此，基于采集数据的液体建模方法成为了活跃的研究热点，该技术主要使用多种设备对水体运动的各项数据进行采集，然后根据采集到的真实水场景数据，利用计算机图形学和计算机视觉技术，快速重构出水体的三维表面，并利用经典的物理建模方法进行验证和优化，由于该方法是对真实自然现象实测数据的重构，更加能够真实反映动态自然现象的运动趋势与物理规律，捕捉动态自然现象纷乱嘈杂的特点，在完整的保留真实现象和真实物体中丰富的复杂细节的同时大幅度降低了计算量，具有良好的应用前景，但通过数据采集的方法，对真实液体随时间变化的物理运动建模仍然是一个具有挑战性的课题。

与本发明相关的一些概念：

反射率(reflectance)：表示物体反射入射光大小的数值叫做反射率，由物体表面所能反射的光量和它所接受的光量之比计算得出，常用百分率和小数表示。当光束接近正入射(入射角θ约等于0)时，反射率计算公式是：其中n₁,n₂分别是两种介质的真实折射率(即相对于真空的折射率)，折射率是指光线进入不同介质时角度发生改变的现象，用表征，θ₁，θ₂分别为入射角和折射角，即光线与法线的夹角，通常来说，光线在临界面上的反射率仅与介质的物理性能，光线的波长，以及入射角相关。

信息熵(informationentropy)：通常信息的多少很难度量，“信息熵”概念的提出，解决了对信息的量化度量问题。信息熵这个词是香农从热力学中借用过来的，热力学中的热熵是表示分子状态混乱程度的物理量，香农用信息熵的概念来描述信源的不确定度，可以把信息熵理解成某种特定信息的出现概率，一般而言，当一种信息出现概率更高的时候，表明它被传播得更广泛，或者说，被引用的程度更高，可以认为，从信息传播的角度来看，信息熵可以表示信息的价值，这样子我们就有一个衡量信息价值高低的标准。