一種基于多源實測數(shù)據(jù)的火焰建模方法及其系統(tǒng)，此方法包括：步驟1，使用攝像機、光譜儀、多波長輻射測溫儀采集火焰數(shù)據(jù)；步驟2，對火焰的三維溫度場進行重建；步驟3，對重建的所述火焰的三維溫度場在時序上進行優(yōu)化；步驟4，基于實測數(shù)據(jù)對火焰進行繪制。本發(fā)明專利技術(shù)能夠構(gòu)建火焰的逼真繪制模型，得到近似圖像真實級別的火焰繪制效果。
【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及計算機圖形學(xué)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于多源實測數(shù)據(jù)的火焰建模方法及其系統(tǒng)
技術(shù)介紹
真實感火焰現(xiàn)象是計算機動畫、影視特效和游戲娛樂中不可或缺的元素，但由于真實的火焰燃燒具有一定的危險性，還包括復(fù)雜的化學(xué)燃燒反應(yīng)，導(dǎo)致火焰的運動極其復(fù)雜，運動形態(tài)非常豐富，很難用物理方程對其進行準確的描述，而且針對物理 模型的高復(fù)雜度數(shù)值計算方法也常常成為制約物理建模的限制因素。鑒于真實感火焰在視覺媒體或交互娛樂中有著廣泛的應(yīng)用前景，因此火焰模擬一直是計算機圖形學(xué)研究中具有挑戰(zhàn)性的研究難題之一。傳統(tǒng)的火焰模擬方法主要分為三類基于粒子系統(tǒng)的方法，基于紋理映射的方法，以及基于物理的火焰模擬方法。基于粒子系統(tǒng)和紋理映射的方法雖然模擬速度較快，但不能滿足觀眾日益增長的對火焰視覺效果的高要求。基于物理的方法通過追溯火焰的物理根源，根據(jù)其物理本質(zhì)進行建模，得到其物理數(shù)據(jù)，并由基于物理的渲染器進行繪制，能得到較為真實的視覺效果。物理模擬方法的復(fù)雜性與難擴展性使得基于實測數(shù)據(jù)的火焰模擬得到逐步發(fā)展。目前的基于實測數(shù)據(jù)的火焰建模，主要采用的是攝像機陣列，通過多臺攝像機，同時拍攝火焰燃燒效果，但該方法只適合低速火焰燃燒(蠟燭燃燒)，因為低速火焰燃燒具有較為明顯的輪廓信息，而對于高速或燃燒比較劇烈的火焰，火焰運動的跳躍感比較強，中間往往產(chǎn)生很多空洞，僅僅依靠圖像的方法，無法重建出滿意的動畫效果，尤其很難表現(xiàn)火焰運動的多變性，特別是火焰的運動細節(jié)。高速攝像機和高精度傳感設(shè)備能夠較為精確地捕獲火焰圖像、溫度、以及光譜信息等，這些多源信息反映了火焰在燃燒過程中的真實狀態(tài)，它提供了火焰在燃燒過程中的細節(jié)信息。因此，利用實測的多源數(shù)據(jù)重構(gòu)火焰的三維運動模型，為真實感的火焰動畫生成提供一種新的方法和途徑。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)提供一種基于多源實測數(shù)據(jù)的火焰建模方法及其系統(tǒng)，其能夠構(gòu)建火焰的逼真繪制模型，得到近似圖像真實級別的火焰繪制效果。本專利技術(shù)提出一種基于多源實測數(shù)據(jù)的火焰建模方法，包括步驟1，使用攝像機、光譜儀、多波長輻射測溫儀采集火焰數(shù)據(jù)；步驟2，對火焰的三維溫度場進行重建；步驟3，對重建的所述火焰的三維溫度場在時序上進行優(yōu)化；步驟4，基于實測數(shù)據(jù)對火焰進行繪制。其中，所述步驟I包括步驟11，在繞火焰的水平圓周上，按等弧長均勻布置所述攝像機；步驟12，在火焰的四周，按照正交陣列布置所述多波長輻射測溫儀，采集火焰輻射出來的能量；步驟13，利用所述光譜儀，采集火焰燃燒過程中的光譜分布信息。進一步的，所述步驟2包括步驟21，使用多光譜輻射測溫法求得所述多波長輻射測溫儀的輸出信號與目標真實溫度的關(guān)系；步驟22，使用計算機斷層成像技術(shù)，結(jié)合所述的多光譜輻射測溫法，得到整個火 焰的三維溫度場和光譜發(fā)射率。進一步的，所述步驟3包括步驟31，對所述重建的火焰的三維溫度場數(shù)據(jù)進行離散小波變換；步驟32，選用高斯白噪聲模型，基于離散小波變換對所述火焰的三維溫度場進行去噪處理，然后對處理后的小波系數(shù)進行重建，得到去噪后的火焰的三維溫度場數(shù)據(jù)。進一步的，所述步驟4包括步驟41，通過對所述采集到的實測圖像數(shù)據(jù)進行離散小波變換，把圖像分解成高精度信息和低精度信息兩個部分步驟42，對于所述低精度信息，通過遺傳算法建立所述低精度信息與所述火焰的三維溫度場和光譜分布之間的映射關(guān)系；步驟43，對于所述高精度信息，通過哈希函數(shù)建立所述高精度信息與所述火焰的三維溫度場沿逆視線方向上的積分之間的索引關(guān)系；步驟44，對于所述的火焰的三維溫度場和光譜分布信息，在給定的視線下，根據(jù)所述離散小波逆變換和索引的高精度信息合成得到需要的火焰圖像。為達到本專利技術(shù)的目的，本專利技術(shù)另提出一種基于多源實測數(shù)據(jù)的火焰建模系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集模塊，使用攝像機、光譜儀、多波長輻射測溫儀采集火焰數(shù)據(jù)；重建模塊，用于對火焰的三維溫度場進行重建；優(yōu)化模塊，用于對重建的所述火焰的三維溫度場在時序上進行優(yōu)化； 繪制模塊，用于根據(jù)采集到的實測圖像數(shù)據(jù)對火焰進行繪制。進一步的，所述數(shù)據(jù)采集模塊包括攝像機布置模塊，用于將所述攝像機按等弧長均勻布置在繞火焰的水平圓周上，捕獲火焰圖像；多波長輻射測溫器布置模塊，用于將所述多波長輻射測溫儀按照正交陣列布置在火焰的四周，采集火焰輻射出來的能量；光譜儀采集模塊，利用所述光譜儀采集火焰燃燒過程中的光譜分布信息。進一步的，所述重建模塊包括多光譜輻射測溫模塊，使用多光譜輻射測溫法求得多波長輻射測溫儀的輸出信號與目標真實溫度的關(guān)系；計算機斷層成像模塊，使用計算機斷層成像技術(shù)，結(jié)合所述的多光譜輻射測溫法，得到整個火焰的三維溫度場和光譜發(fā)射率。進一步的，優(yōu)化模塊包括變換模塊，用于對所述重建的火焰的三維溫度場數(shù)據(jù)進行離散小波變換；去噪處理模塊，選用高斯白噪聲模型，基于小波分解對所述火焰的三維溫度場進行去噪處理，然后對處理后的小波系數(shù)進行重建，得到去噪后的火焰的三維溫度場數(shù)據(jù)。進一步的，繪制模塊包括分解模塊，通過對所述采集到的實測圖像數(shù)據(jù)進行離散小波變換，把圖像分解高精度信息和低精度信息兩個部分關(guān)系建立模塊，對所述低精度信息，通過遺傳算法建立所述低精度信息與所述火焰的三維溫度場和光譜分布之間的映射關(guān)系；對所述高精度信息，通過哈 希函數(shù)建立所述高精度信息與所述火焰的三維溫度場沿逆視線方向上的積分之間的索引關(guān)系；圖像合成模塊，用于在給定的視線下，對所述的三維火焰溫度場和光譜分布信息，根據(jù)所述離散小波逆變換和所述的高精度信息合成得到需要的火焰圖像。以下結(jié)合附圖和具體實施例對本專利技術(shù)進行詳細描述，但不作為對本專利技術(shù)的限定。附圖說明圖I是火焰采集設(shè)備的示意圖。圖2是三維溫度場的示意圖。圖3是建立映射關(guān)系的流程圖。圖4是火焰繪制過程的示意圖。圖5是基于多源實測數(shù)據(jù)的火焰建模系統(tǒng)示意圖具體實施例方式I)數(shù)據(jù)采集圖I火焰采集設(shè)備的示意圖。在繞火焰的水平圓周上，按等弧長均勻布置攝像機；同時，在火焰的四周，按照正交陣列布置多波長輻射測溫器，全空間地采集火焰輻射出來的能量；最后，利用I臺光譜儀，采集火焰燃燒過程中的光譜分布信息。利用該數(shù)據(jù)采集方案，可以較為完整地采集火焰燃燒過程中的溫度變化和光譜分布信息等。2)三維溫度場重建使用多光譜輻射測溫法可以求得多波長輻射測溫器的輸出信號與目標真實溫度的關(guān)系。測溫系統(tǒng)采用η個波長，根據(jù)維恩公式，則對應(yīng)第i個波長的通道的輸出信號Vi與物體的輻射強度L(AiJ)成正比，則K = Αλ: ·人(Α，廣)=Λλ, ' ε、入i, Λ ' 'exP(_Ty)其中，為只與波長有關(guān)與溫度無關(guān)的檢定常數(shù)，C2為第二輻射常量，ε (λρΤ)是溫度為T的目標光譜發(fā)射率，在給定黑體參考溫度Τ’情況下，ε (AilT) =1，第i個波長的通道的輸出信號V, iVi = Ai ’ /,,■ exp(rp·) Λ； I I 于是可以得到權(quán)利要求1.一種基于多源實測數(shù)據(jù)的火焰建模方法，其特征在于，包括 步驟1，使用攝像機、光譜儀、多波長輻射測溫儀采集火焰數(shù)據(jù)； 步驟2，對火焰的三維溫度場進行重建； 步驟3，對重建的所述火焰的三維溫度場在時序上進行優(yōu)化； 步驟4，基于采集到的實測圖像數(shù)據(jù)對火焰進行繪制。2.如權(quán)利要求I所述的火焰建模方法，其特征在于，所述步驟I包括 步驟11，在繞火焰的水平圓周上，按等弧長本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護點】
一種基于多源實測數(shù)據(jù)的火焰建模方法，其特征在于，包括：步驟1，使用攝像機、光譜儀、多波長輻射測溫儀采集火焰數(shù)據(jù)；步驟2，對火焰的三維溫度場進行重建；步驟3，對重建的所述火焰的三維溫度場在時序上進行優(yōu)化；步驟4，基于采集到的實測圖像數(shù)據(jù)對火焰進行繪制。
【技術(shù)特征摘要】
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：朱登明，沈亮，魏毅，王兆其，
申請(專利權(quán))人：中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所，
類型：發(fā)明
國別省市：
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