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摘要：提出了一種α－體建模方法：對實(shí)拍圖像的學(xué)習(xí)生成動(dòng)態(tài)紋理之后，再對紋理進(jìn)行邊界合成得到劃分了顏色區(qū)域的圖像;通過對圖像區(qū)域邊界的掃描勾勒出圖像的輪廓線網(wǎng)格，并根據(jù)其到中心的距離為每個(gè)網(wǎng)格邊界賦予標(biāo)準(zhǔn)的顏色值；最后根據(jù)網(wǎng)格的顏色值生成三維模型。實(shí)驗(yàn)證明這種動(dòng)態(tài)景物的建模方法能夠滿足虛擬場景實(shí)時(shí)繪制的要求，而且具有很好的魯棒性和連續(xù)性。

關(guān)鍵詞：動(dòng)態(tài)紋理;網(wǎng)格;三維模型;動(dòng)態(tài)景物;基于圖像的繪制

0引言

近幾年，隨著虛擬場景建模技術(shù)的發(fā)展，客戶對虛擬場景的真實(shí)感和實(shí)時(shí)性要求越來越高。在大部分虛擬場景中，尤其是自然環(huán)境和戰(zhàn)場環(huán)境中，火焰、煙霧、硝煙以及干擾云等景物是必不可少的一部分。真實(shí)地模擬這些動(dòng)態(tài)景物是影響場景繪制速度的一個(gè)重要因素，也是計(jì)算機(jī)圖形圖像研究的一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)。用更少的運(yùn)算和內(nèi)存空間,更加逼真地模擬它們的狀態(tài)一直是人們努力的目標(biāo)。目前已經(jīng)有很多關(guān)于這方面的研究。Lamorletter和Foster對火焰的各個(gè)不同部分分別建立模型[1],然后分別計(jì)算不同部分的狀態(tài),從而體現(xiàn)整個(gè)火焰的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。首先建立火焰的外輪廓線模型,然后對火焰進(jìn)行上下分段,對不同段的粒子采用不同函數(shù)描述,從而體現(xiàn)火焰不同部分的亮度,通過各個(gè)部分亮度的變化展現(xiàn)火焰的動(dòng)態(tài)效果。Beaudoin則是建立三維的火焰骨架[2],并在三維骨架內(nèi)建立速度場?；鹧娴牧Ｗ右援?dāng)前所處位置的速度運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)效果。同時(shí),他把火焰由內(nèi)及外分成不同的層,不同的層用不同的亮度計(jì)算函數(shù),體現(xiàn)了火焰由內(nèi)及外的亮度變化。Ngu－yen則是從燃料入手[3],考察固體燃料由固體變成氣體燃燒然后再慢慢冷卻的過程。在燃燒的過程中,燃料顆粒以氣態(tài)在空氣中運(yùn)動(dòng)并且相互作用,產(chǎn)生火焰的動(dòng)態(tài)效果。同時(shí),燃料顆粒經(jīng)歷溫度由低到高的過程,亮度也相應(yīng)由弱到強(qiáng)地變化,使火焰在不同的段,亮度也不同。Schodl提出一種由少量動(dòng)態(tài)火焰產(chǎn)生無限動(dòng)態(tài)火焰序列的算法[4]。Fedkiw通過跟蹤點(diǎn)的運(yùn)動(dòng),利用渦流思路成功模擬了煙的運(yùn)動(dòng)[5]。Wijk就如何體現(xiàn)流體紋理隨機(jī)性和不確定性,并保持紋理一致性和連續(xù)性提出了很好的思路[6]。

1α－體建模思想

在以上提出的各種建模方法中，出于真實(shí)性、隨機(jī)性和實(shí)時(shí)性的考慮，在實(shí)際建模過程中常用的方法主要有基于粒子系統(tǒng)的建模和分形[7]建模以及依賴于已有的圖像序列的基于計(jì)算機(jī)視覺的建模。這類動(dòng)態(tài)現(xiàn)象包含的共同特性是產(chǎn)生它們的物理機(jī)制十分復(fù)雜,一般很難通過物理分析的方法對它們建模。而現(xiàn)有的建模算法多數(shù)都是基于粒子系統(tǒng)[7~9]，既要考慮其復(fù)雜的物理模型，又要利用流體力學(xué)的知識計(jì)算場景的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。其主要缺點(diǎn)是運(yùn)算量大，很難達(dá)到實(shí)時(shí)繪制的要求。另一方面,可以很容易收集這類動(dòng)態(tài)序列的樣本。于是，產(chǎn)生了圖像與幾何相結(jié)合的建模思想：首先從得到的原始圖像序列樣本恢復(fù)幾何信息，然后將紋理映射到幾何體表面。但是這種方法要用到計(jì)算機(jī)視覺理論，不可避免地要從圖像中精確地恢復(fù)對象的幾何模型。這是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，尤其是對于這些沒有固定形狀的動(dòng)態(tài)景物而言。大部分的火焰合成系統(tǒng)都是動(dòng)態(tài)地展現(xiàn)紋理效果，使其在二維平面上展現(xiàn)出栩栩如生的逼真效果，目前在這方面已有很多研究成果[10，11]。在虛擬空間中，需要從各個(gè)視角對這種現(xiàn)象進(jìn)行觀察，只靠紋理的方法是不行的；同時(shí)，還要求必須能實(shí)時(shí)地生成。由于景物在運(yùn)動(dòng)過程中，紋理狀態(tài)具有不確定性，用傳統(tǒng)的基于粒子的和分形的建模方法，不僅需要大量內(nèi)存空間來保持它們的連續(xù)性和一致性，還要通過大量的運(yùn)算來求得它們的下一個(gè)狀態(tài)。這會(huì)大大降低繪制的速度，不能滿足實(shí)時(shí)性要求。

基于這種狀況，本文提出了一種利用已有圖像序列的實(shí)時(shí)建模方法，即α－體建模思想。這種方法既避免了物理建模的復(fù)雜性，又省去了用計(jì)算機(jī)視覺恢復(fù)復(fù)雜幾何模型的過程。首先運(yùn)用動(dòng)態(tài)紋理合成思想從原始圖像集產(chǎn)生動(dòng)態(tài)紋理序列；其次對動(dòng)態(tài)紋理序列進(jìn)行背景消隱，得到?jīng)]有噪聲的動(dòng)態(tài)紋理序列；然后再對這個(gè)紋理序列中的每一張圖像進(jìn)行邊界合成，找出不同的顏色區(qū)域邊界并計(jì)算邊界的α值；最后根據(jù)α值生成α－體集合。在算法中，主要解決了如何利用合成的區(qū)域邊界勾勒出紋理的輪廓線以及如何從輪廓線計(jì)算α值，并生成α體的問題。

2算法設(shè)計(jì)

2．1產(chǎn)生紋理的動(dòng)態(tài)序列

動(dòng)態(tài)紋理是一種基于圖像的繪制方法，通過對輸入圖像序列進(jìn)行學(xué)習(xí)，生成新的圖像序列。它與原序列在視覺上十分相似，不但具有很強(qiáng)的真實(shí)感，還具有一定的可編輯性。下面首先定義一個(gè)動(dòng)態(tài)紋理，然后分別對動(dòng)態(tài)紋理進(jìn)行學(xué)習(xí)、識別和合成。

2．2圖像的邊界合成

為了建立α－體集，必須找出不同區(qū)域的邊界。在火焰圖像中，不同顏色的區(qū)域之間的邊界都是曲線。這里用Alpha估計(jì)技術(shù)，通過以不同的比例混合兩種顏色產(chǎn)生邊界顏色，而且不需要知道邊界的詳細(xì)信息。

在實(shí)際圖片中，邊界的顏色往往受多個(gè)區(qū)域的影響，有多個(gè)區(qū)域的圖像可以被分解為只有兩個(gè)鄰接區(qū)域的圖像。因此，這里主要處理有兩個(gè)區(qū)域的圖像。本文用分割兩個(gè)區(qū)域的像素鏈形成區(qū)域邊界。像素鏈用邊緣監(jiān)測器發(fā)現(xiàn)的邊緣創(chuàng)建，而邊界使用區(qū)域分割算法或邊界尋找工具（如智能截取器IntelligentScissors[13]）發(fā)現(xiàn)。事實(shí)上的困難在于紋理可能有噪聲和其他數(shù)據(jù)源。本文采用如下的方法：

（2）計(jì)算Alpha和非混合顏色

兩個(gè)信號集X和Y是每個(gè)對象區(qū)域顏色的離散表達(dá)?，F(xiàn)在必須在兩個(gè)分布之間建立關(guān)系和確定顏色空間的任意一個(gè)像素Q，只要將顏色信號轉(zhuǎn)換為連續(xù)的分布，這種關(guān)系可以很容易建立。這里使用一個(gè)均勻的高斯混合來確保在顏色空間所有的點(diǎn)有一個(gè)非空對應(yīng)和簡化方程。在Q點(diǎn)比較這兩個(gè)方程是一個(gè)估計(jì)Q點(diǎn)Alpha值αQ的方式。當(dāng)假設(shè)Q是X和Y的顏色混合時(shí)，Q就不可能是這兩個(gè)分布中的任何一個(gè)。因?yàn)橐烙?jì)混合量，傳統(tǒng)的決策理論方法是沒有用的。這時(shí)要真正地從X分布的顏色穿過邊界變形到Y(jié)分布的顏色繪制Q點(diǎn)。這種變形通過在兩個(gè)分布之間線性插值實(shí)現(xiàn)。這樣估計(jì)Alpha就變成一個(gè)最大化可能的估計(jì)問題，即發(fā)現(xiàn)最大化Q點(diǎn)值可能被插值的密度。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果和算法復(fù)雜度分析

3．1復(fù)雜性分析

對于一個(gè)基于粒子的繪制系統(tǒng)而言，其算法的復(fù)雜度與粒子的屬性和實(shí)現(xiàn)過程有關(guān)。在任何系統(tǒng)中，粒子都有以下的屬性：粒子的數(shù)量、大小、顏色、亮度、透明度、形狀、運(yùn)動(dòng)速度和方向、生存期；它都要經(jīng)歷粒子狀態(tài)初始化、依照運(yùn)動(dòng)規(guī)則運(yùn)動(dòng)和屬性變化三個(gè)實(shí)現(xiàn)過程。粒子系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)過程如下：①在燃點(diǎn)處產(chǎn)生初始火焰粒子集；②賦予火焰粒子屬性；③繪制初始火焰；④重新選擇火焰粒子集；⑤粒子場中粒子運(yùn)動(dòng)、變換；⑥粒子生存期減1；⑦部分火焰粒子消亡；⑧產(chǎn)生新的火焰粒子；⑨繪制火焰粒子集。其中對于每一幀都要重復(fù)執(zhí)行④～⑨。而在本章提出的α－體建模方法中，第一步是初始化過程，是在程序運(yùn)行之前就必須準(zhǔn)備好的動(dòng)態(tài)紋理，這個(gè)過程遠(yuǎn)比粒子系統(tǒng)中①～③要簡單得多；其次，在執(zhí)行過程中對每一幀都要?jiǎng)澐诌吔绾陀?jì)算α值并生成α－體，這個(gè)過程也遠(yuǎn)比粒子系統(tǒng)的④～⑨計(jì)算量要小很多，因此該算法的復(fù)雜性與基于粒子系統(tǒng)相比要小很多。用粒子系統(tǒng)在SGI圖形工作站生成100fps這樣的火焰序列，而用本文的建模方法在下面普通的試驗(yàn)環(huán)境中也能生成約100fps的序列，性能有明顯改善。

3．2效果圖

試驗(yàn)環(huán)境：PentiumⅢ600MHz的PC機(jī)，GeForce2MX顯示卡，256MB內(nèi)存，編程環(huán)境為VC++6.0,運(yùn)行在WindowsXP下,底層圖形繪制采用三維圖形標(biāo)準(zhǔn)軟件Direct3D，每個(gè)項(xiàng)目包含120幅圖像。

在該環(huán)境中，用上面的算法對圖1(a)的火焰進(jìn)行處理。圖2分別為三維模型繞軸旋轉(zhuǎn)90°的四個(gè)不同視角觀察的結(jié)果。由圖2結(jié)果可以看出，本文方法生成的視圖沒有人工痕跡，幾乎達(dá)到了與圖1（a）的真實(shí)圖片相媲美的效果。

4結(jié)束語

本文以火焰為例，介紹了一種在三維空間重建場景特效的方法。與傳統(tǒng)基于粒子系統(tǒng)的方法相比，該算法復(fù)雜度低、真實(shí)感強(qiáng)；與動(dòng)態(tài)紋理方法相比，該算法能夠滿足自由變換視點(diǎn)的需要。通過對實(shí)時(shí)生成的紋理分割，提取了紋理的邊界，并利用其邊界屬性生成幾何體，使得用戶在場景中，能從不同的視角和視點(diǎn)進(jìn)行觀察。實(shí)驗(yàn)證明這種方法不但滿足了特效在三維空間視點(diǎn)變換的需要，而且克服了傳統(tǒng)建模方法占用存儲(chǔ)空間大和運(yùn)算復(fù)雜的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)景物的實(shí)時(shí)繪制，提高了繪制速度。

在本文對虛擬火焰的模擬中，不同層的火焰亮度是用顏色和Alpha值確定的，Alpha值用來確定該層火焰的透明程度。在這里Alpha值的計(jì)算只是依據(jù)邊界到中心線的距離，而每一層的實(shí)際亮度并不是完全按照這種模式分布的，這將可能導(dǎo)致圖形因亮度因素而部分失真。如何準(zhǔn)確地再現(xiàn)特效的實(shí)際亮度是今后的努力方向。

參考文獻(xiàn)：

［1］LAMORLETTEA,FOSTERN.Structuralmodelingofflamesforaproductionenvironment:proceedingsofthe29thAnnualConferenceonComputerGraphicsandInteractiveTechniques[C].NewYork:ACMPress,2002:729－735.

[2]BEAUDOINP,PAQUETS,POULINP.Realisticandcontrollablefiresimulation:proceedingsofGraphicsInterface[C].Ottawa:[s.n.],2001:159－166.

[3]NGUYENDQ,FEDKIWR,JENSENHW.Physicallybasedmode－lingandanimationoffire[J].ACMTransactionsonGraphics,2002,21(3):721－728.

[4]SCHODLA,SZELISKIR,SALESINDH,etal.Videotexture:proceedingsofACMSIGGRAPHConference[C].NewOrleans:ACMPress,2000:489－498.

[5]FEDKIWR,STAMJ,JENSENHW.Visualsimulationofsmoke:proceedingsofACMSIGGRAPHConference[C].NewYork:ACMPress,2001:15－22.

[6]WIJKJJV.Imagebasedflowvisualization:proceedingsofthe29thAnnualConferenceonComputerGraphicsandInteractiveTechniques[C].NewYork:ACMPress,2002.

[7]周麗琨.虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中不規(guī)則形體的幾何表現(xiàn)[D].武漢：武漢理工大學(xué),2003.

[8]彭艷瑩.基于粒子系統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)燃燒可視化研究[D].杭州：浙江大學(xué),2003.

[9]孫麗娟.虛擬戰(zhàn)場環(huán)境建模及兵力的運(yùn)動(dòng)控制研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué),2002.

[10]林夕偉,于金輝.基于粒子和紋理繪制的火焰合成[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2004,24(4):77－79.

[11]HASINOFFSW.3DReconstructionoffirefromimage[D].Toronto:GraduateDepartmentofComputerScience,UniversityofToronto,2002.

[12]SOATTOS,DORETTOG,WUYN.Dynamictextures:proceedingsofIEEEICCV[C].Vancouver:[s.n.],2001:439－446.

[13]MORTENSENE,BARRETTW.Interactivesegmentationwithintelligentscissors[J].GMIP,1998,60(5):349－384.

[14]劉彥宏,王洪斌,杜威,等.基于圖像的樹類物體的三維重建[J].計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào)，2002,25(9):930－935.