[发明专利]一种基于采样数据的动态水面重建方法

权利要求书

1.一种基于采样数据的动态水面重建方法，使用多个相机采集动态水面数据，相机两两分组，每组相机用体素细分剔除的方法重建水面高度场，得到的多个水面高度场之间进行加权融合，得到水面融合高度场，水面融合高度场进一步驱动基于物理的浅水方程模拟过程，生成既有真实数据支撑又有丰富细节效果的重建结果高度场；其特征在于包括如下步骤：

（1）搭建多相机的动态水面数据采集装置，已知大小的黑白棋盘格板紧贴于水底，多个相机置于水面上方周围不同视角，固定相机位置保证每个相机可拍摄到完整水底棋盘格图像，多个相机之间保证可同步采集图像；对多个相机进行内外参标定；制造需要采集的水面运动场景，多相机高速同步采集水面运动情况下水底棋盘格的图像；

（2）初始时刻图像用Harris角点检测算法检测棋盘格角点，后续时刻图像角点用Lucas-Kanade光流法追踪确定；利用相机内外参，确定每个相机图像角点和水底棋盘格角点的映射关系；并对图像角点间的映射关系插值，得到逐像素的映射关系；

（3）把相机两两分为多个组，基于步骤（2）求得的图像像素和水底棋盘格角点的映射关系，每个组利用体素细分剔除的方法重建得到多个水面高度场；

（4）对于步骤（1）相机的每个采样时刻，利用步骤（3）不同组相机重建得到的水面高度场进行重投影计算重投影误差，对不同组多个水面高度场进行加权融合，重投影误差小的水面高度场权重更大，得到水面融合高度场；

（5）利用步骤（4）重建融合得到的水面融合高度场驱动基于物理的浅水方程模拟过程，模拟生成的浅水方程模拟高度场和水面融合高度场进一步融合，得到最终的重建结果高度场输出。

2.根据权利要求1所述的一种基于采样数据的动态水面重建方法，其特征在于：所述步骤（3）中每组相机采用体素细分剔除的重建，其具体步骤为：把水体所在空间规则剖分为一个个三维体素，把每个体素中心点投影到本组所有相机，利用像素和水底棋盘格点的映射关系确定与投影像素对应的水底点，由相机光心、体素中心、水底点这三个点和折射定律求得体素中心点处的折射法向量；对于中心点水平坐标相同的多个体素，只保留所求法向量方向最一致的一个体素，其余体素剔除；进而对留下的体素继续进行如上所述的细分剔除过程，直到体素大小小于给定的阈值。

3.根据权利要求1所述的一种基于采样数据的动态水面重建方法，其特征在于：所述步骤（4）中不同组多个水面高度场加权融合，其目的是减少不同相机图像噪声带来的重建误差，其具体步骤为：首先利用每组水面高度场，将水底棋盘格角点重投影成像到该组中的任意一个相机，计算重投影成像点和原始图像对应角点的偏差，即为重投影误差；将水面区域划分为多个子区域，每个区域的水面融合高度场由每组水面高度场对应相同区域部分加权融合而成，重投影误差小的水面高度场权重设置更大。

4.根据权利要求1所述的一种基于采样数据的动态水面重建方法，其特征在于：所述步骤（5）中，利用水面融合高度场驱动基于物理的浅水方程模拟过程，其目的是往水面融合高度场中添加浅水方程模拟高度场的细节效果，得到有真实数据支撑同时细节丰富的重建结果高度场，其具体步骤为：权利要求3所述方法融合得到的初始时刻的水面融合高度场作为基于物理的浅水方程模拟求解的初始迭代高度场；对于相机后续的每个采样时刻点，把权利要求3所述方法融合得到的水面融合高度场和浅水方程模拟高度场进一步加权融合，得到该时刻的重建结果高度场输出，重建结果高度场同时作为基于物理的浅水方程模拟下一迭代步的初始迭代高度场，驱动基于物理的浅水方程模拟后续过程。