[发明专利]一种基于流线变形的烟模型空间编辑方法

说明书

技术领域

本发明属于计算机虚拟现实领域，具体地说，是一种基于流线变形的烟模型运动路径编辑方法。

背景技术

像烟、水、雾等流体的研究是计算机图形学领域的一个重要研究热点，如何在计算机上获得逼真的流体数据是其中的一个具有挑战性的课题。此外，流体数据在影视特效、动画生成、虚拟环境、仿真研究等领域有着广泛应用，流体的建模和绘制效果直接决定了仿真环境的视觉效果。因此，对图形学中流体建模技术的研究有着非常重要的意义。

像本文中要研究的烟模型是一种动态、非同质的流体，在图形学的研究中，这类数据的建模往往通过两种方法进行，一种是基于纯物理的流体动力学模型来仿真建模，另一种是根据高速相机采集的照片集来重现建模。

基于物理仿真的烟模型建模方法，基本思想是对自然现象用物理解释和数学方程表示，建立具有物理数学理论依据的模型，采用流体动力学的方法模拟出流体的物理信息变化，如密度场、速度场等。此类问题的求解主要有两种方法，基于网格的欧拉法和基于粒子的拉格朗日法。基于网格的欧拉法关注于在流体空间中设置的固定点，流体经过各固定空间点上的运动要素包括随时间而变化的速度、密度、温度等，通过在每个固定空间点观察流体经过时各个要素的时变过程，以及由一个空间点转到另一个空间点时参数的变化，可以得到流体运动的整个过程。基于粒子的拉格朗日法是通过一系列任意分布的粒子集合来求解积分方程或偏微分方程，从而得到精确稳定的数值解，并且不需要为粒子之间构建任何网格。

尽管基于物理的方法能够模拟烟雾等流体的运动特征，但也存在许多不足之处，比如难以展现更加丰富逼真的细节信息，物理模拟的偏微分方程求解计算量很大，对参数敏感不易控制，而且与真实物体或者现象相比误差较大等等。

随着相机技术尤其是高速相机的发展，基于高速相机采集图像的数据驱动建模方式越来越多的被应用到计算机图形学的真实感建模领域。研究方法从起初基于计算机视觉的多视点采集逐渐过渡到基于图像的单视点建模。近几年，基于激光扫描的参与介质建模技术研究逐渐开展起来。虽然直接采集真实的介质和自然现象，可以很好的保存和处理细节信息，保留更高的真实感，但高额的金钱花费以及繁琐的采集过程是其主要缺点，设备搭建、标定的准确性等都是该方法所要面临的主要问题。此外，通过采集建模的方法所获得流体有很大的限制性，往往不能准确地获得用户期待的数据。

相比前面提到的两类建模方法，通过对已有数据编辑重用获得丰富的数据资源，可以很好的解决这些问题。此类数据编辑的研究，可以通过较好的交互性，根据用户指引获得适应场景需要的编辑数据，是一种简洁高效同时可以保证一定真实感的方法，极具研究意义。

因此，本发明针对烟模型进行空间编辑的工作极具研究意义和应用前景。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的一些局限性，提供一种基于流线变形的烟模型运动路径编辑方法，有效的降低计算消耗，快速地构建逼真且合理的编辑数据以适应各种复杂虚拟应用场景的需求。

本发明的技术解决方案：基于空间变形的烟模型运动路径编辑方法，利用速度场信息进行变形函数的求解，从而编辑烟模型数据。其特征在于如下步骤：

(1)基于双层定点迭代计算方法进行烟模型数据序列的速度场求解；

(2)基于步骤(1)所求得速度场进行流线可视化，提取代表运动趋势的主要流线；

(3)用户交互地输入编辑路径，生成编辑数据的流线；

(4)根据步骤(2)和(3)可以获得两组对应流线，将这两组对应流线作为约束条件，建立并求解空间变形模型；

(5)结合步骤(4)所求得空间变形模型，求解得到烟的编辑数据。

本发明的优点在于：

1、本发明所设计的基于双层定点迭代计算方法进行烟模型速度场求解方法，针对烟模型数据加入动力学约束，能够求解出烟模型更准确的速度场数据，同时，使用双层定点迭代技术进行线性化求解，利用高斯金字塔进行多尺度的迭代计算，极大地提高了计算速度和计算精度。

2、本发明所设计的空间变换模型，只通过两组对应流线的特征来建立和求解线性的空间变形模型，降低了烟模型路径编辑工作中的大量计算消耗，同时对于各种不同烟模型数据有普适性。

3、本发明降低了对用户的交互要求，即仅需要指定需要编辑的路径信息，即可得到编辑数据，因而简单易操作。

附图说明

图1为本发明方法的流程图。

图2为本发明的速度场求解算法示意图。

具体实施方式