[发明专利]一种基于草图检索的云景构建方法

说明书

本发明公开了一种基于草图检索的云景构建方法，首先，对自然图像进行预处理，提取出其中无遮挡的单朵积云，构造积云图像数据集；其次，对积云图像作像素分离，并基于多次前向散射模型建模细节积云，生成积云模型数据集；再次，提取数据集中积云外轮廓，并计算其傅里叶描述子，作为数据集中积云的形状特征；然后，计算用户所输入草图的傅里叶描述子，并以曼哈顿距离为度量检索数据集中最相似的积云图像；最后，对检索到的积云图像所对应的积云模型，在云的内部进行采样，生成粒子模型并进行绘制。本发明采用基于草图的检索方式构建积云场景，能为用户提供快速、便捷的积云场景构建方法。

技术领域

本发明属于计算机图形学领域，特别云建模领域，具体涉及一种基于草图检索的云景构建方法。

背景技术

云是自然场景的重要组成元素。在电影制作、三维游戏场景设计等众多应用中，都需要生成外形多样的真实积云场景。与其他固定外形的对象不同，其形成、发展和消散的过程极其复杂，难以直接获取其三维模型。在计算机图形学领域，积云建模方法可以分为三类，基于过程的方法、基于物理的方法和数据驱动的方法。基于过程的方法主要利用噪声纹理、粒子系统和交互式手段对云进行建模，建模人员需要繁琐地调整参数来构造云的形状；基于物理的方法通过求解简化的Novier-Stokes方程，模拟云生成的物理过程，这种方法耗时大，多适用于中小尺度的场景构建；数据驱动的方法主要对气象观测数据进行分析并构建与输入数据在形状特征、属性构成及场景规模等方面都有一定相关性的积云模型，目前，建模云常见的气象数据主要有三类：自然图像、卫星云图和数值模拟数据。其中，自然图像和卫星云图都是二维的图像，属于观测数据，而数值模拟数据通常是规则体数据。自然图像和卫星云图资源丰富，容易获得，基于这些图像的建模过程可以视作从二维到三维的重建过程。相比之下，数值模拟数据则相对匮乏，基于这些数据的云建模是三维到三维的过程，通常做法是将其转换为云的规则体表示，或者转换为云的粒子表示。上述对于积云场景的建模方法均可以建模出形状逼真的三维云模型，然而这些方法在实际的操作中，需要用户对于各个建模方法的具体步骤和原理有很强的了解，且需要大量人为的参数调整，对于电影制作人员和三维游戏场景设计人员等行业外人员，此项任务非常繁重且困难。

在基于草图的云景生成领域，主要是通过用户绘制草图，通过对用户输入的二维轮廓，采用基于物理的方法来直接生成积云三维体数据。这些方法首先对输入的二维轮廓生成大致的三维形状，然后采用加入噪声扰动或者模拟流体生成的形式对积云三维体数据的细节进行增强。如Stiver等人提出的云景构建方法，为用户提供了一个交互式的接口用于输入二维草图，然后采用基于过程的方法生成云体的三维密度分布。这些方法虽然能交互式地生成用户所需要的云景三维模型，然而在基于过程的云景建模过程中，用户仍需要调整很多参数，即依然需要用户对云景建模过程有所了解。Dobashi等人提出一种基于物理模拟的积云模型生成方法，该方法以用户输入的二维积云外轮廓作为约束，通过对数值仿真参数的调节，使得模拟的三维积云外形趋近于用户输入的积云外轮廓。由于该方法采用基于物理仿真的方法构建三维体数据，故对用户所输入的草图有较高要求，需要所输入的二维形状接近真实的积云形状。Suzuki等人对上述方法进行了改进，首先基于流体仿真构建一个形态各异的积云体数据库，用户通过绘制所需要积云的二维外轮廓，在数据库中检索匹配的积云三维体数据。由于该方法直接对三维模型进行检索，需要对积云模型进行压缩处理。在积云模型数据库较大时，检索效率将会下降。且对于经过压缩处理后的积云三维模型进行检索，容易造成检索失败的情况。

发明内容

本发明要解决的技术问题为：克服现有技术的不足，提供一种基于草图检索的云景构建方法，能够为用户提供快速、便捷的积云场景构建方法。

本发明解决上述的技术问题采用的技术方案为：一种基于草图检索的云景构建方法，实现步骤如下：

步骤(1)、自然图像预处理，提取出其中无遮挡的单朵积云，构成积云图像数据集；