[发明专利]一种基于多源实测数据的火焰建模方法及其系统

说明书

技术领域

本发明涉及计算机图形学领域，尤其涉及一种基于多源实测数据的火焰建模方法及其系统

背景技术

真实感火焰现象是计算机动画、影视特效和游戏娱乐中不可或缺的元素，但由于真实的火焰燃烧具有一定的危险性，还包括复杂的化学燃烧反应，导致火焰的运动极其复杂，运动形态非常丰富，很难用物理方程对其进行准确的描述，而且针对物理模型的高复杂度数值计算方法也常常成为制约物理建模的限制因素。鉴于真实感火焰在视觉媒体或交互娱乐中有着广泛的应用前景，因此火焰模拟一直是计算机图形学研究中具有挑战性的研究难题之一。

传统的火焰模拟方法主要分为三类：基于粒子系统的方法，基于纹理映射的方法，以及基于物理的火焰模拟方法。基于粒子系统和纹理映射的方法虽然模拟速度较快，但不能满足观众日益增长的对火焰视觉效果的高要求。基于物理的方法通过追溯火焰的物理根源，根据其物理本质进行建模，得到其物理数据，并由基于物理的渲染器进行绘制，能得到较为真实的视觉效果。物理模拟方法的复杂性与难扩展性使得基于实测数据的火焰模拟得到逐步发展。

目前的基于实测数据的火焰建模，主要采用的是摄像机阵列，通过多台摄像机，同时拍摄火焰燃烧效果，但该方法只适合低速火焰燃烧(蜡烛燃烧)，因为低速火焰燃烧具有较为明显的轮廓信息，而对于高速或燃烧比较剧烈的火焰，火焰运动的跳跃感比较强，中间往往产生很多空洞，仅仅依靠图像的方法，无法重建出满意的动画效果，尤其很难表现火焰运动的多变性，特别是火焰的运动细节。

高速摄像机和高精度传感设备能够较为精确地捕获火焰图像、温度、以及光谱信息等，这些多源信息反映了火焰在燃烧过程中的真实状态，它提供了火焰在燃烧过程中的细节信息。因此，利用实测的多源数据重构火焰的三维运动模型，为真实感的火焰动画生成提供一种新的方法和途径。

发明内容

本发明提供一种基于多源实测数据的火焰建模方法及其系统，其能够构建火焰的逼真绘制模型，得到近似图像真实级别的火焰绘制效果。

本发明提出一种基于多源实测数据的火焰建模方法，包括：

步骤1，使用摄像机、光谱仪、多波长辐射测温仪采集火焰数据；

步骤2，对火焰的三维温度场进行重建；

步骤3，对重建的所述火焰的三维温度场在时序上进行优化；

步骤4，基于实测数据对火焰进行绘制。

其中，所述步骤1包括：

步骤11，在绕火焰的水平圆周上，按等弧长均匀布置所述摄像机；

步骤12，在火焰的四周,按照正交阵列布置所述多波长辐射测温仪，采集火焰辐射出来的能量；

步骤13，利用所述光谱仪，采集火焰燃烧过程中的光谱分布信息。

进一步的，所述步骤2包括：

步骤21，使用多光谱辐射测温法求得所述多波长辐射测温仪的输出信号与目标真实温度的关系；

步骤22，使用计算机断层成像技术，结合所述的多光谱辐射测温法，得到整个火焰的三维温度场和光谱发射率。

进一步的，所述步骤3包括：

步骤31，对所述重建的火焰的三维温度场数据进行离散小波变换；

步骤32，选用高斯白噪声模型，基于离散小波变换对所述火焰的三维温度场进行去噪处理，然后对处理后的小波系数进行重建，得到去噪后的火焰的三维温度场数据。

进一步的，所述步骤4包括：

步骤41，通过对所述采集到的实测图像数据进行离散小波变换，把图像分解成高精度信息和低精度信息两个部分：

步骤42，对于所述低精度信息，通过遗传算法建立所述低精度信息与所述火焰的三维温度场和光谱分布之间的映射关系；

步骤43，对于所述高精度信息，通过哈希函数建立所述高精度信息与所述火焰的三维温度场沿逆视线方向上的积分之间的索引关系；

步骤44，对于所述的火焰的三维温度场和光谱分布信息，在给定的视线下，根据所述离散小波逆变换和索引的高精度信息合成得到需要的火焰图像。

为达到本发明的目的，本发明另提出一种基于多源实测数据的火焰建模系统，包括：

数据采集模块，使用摄像机、光谱仪、多波长辐射测温仪采集火焰数据；

重建模块，用于对火焰的三维温度场进行重建；

优化模块，用于对重建的所述火焰的三维温度场在时序上进行优化；

绘制模块，用于根据采集到的实测图像数据对火焰进行绘制。

进一步的，所述数据采集模块包括：