一種基于采樣數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)水面重建方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于采樣數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)水面重建方法，屬于虛擬現(xiàn)實(shí)【技術(shù)領(lǐng)域】。重建方法包括如下步驟：（1）搭建多相機(jī)動(dòng)態(tài)水面數(shù)據(jù)采集裝置，對(duì)相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，采集需要重建的動(dòng)態(tài)水面運(yùn)動(dòng)場景圖像；（2）從圖像提取角點(diǎn)，確定圖像角點(diǎn)和水底點(diǎn)的映射關(guān)系，并插值得到逐像素的映射關(guān)系；（3）多個(gè)相機(jī)兩兩分組，每組相機(jī)基于水面折射性質(zhì)，采用體素細(xì)分剔除的方法重建水面高度場；（4）同一時(shí)刻的多組水面高度場之間進(jìn)行加權(quán)融合，以減少不同相機(jī)圖像噪聲帶來的重建誤差；（5）多組水面高度場融合得到的結(jié)果進(jìn)一步用于驅(qū)動(dòng)基于物理的淺水方程模擬過程，生成既有真實(shí)數(shù)據(jù)支撐又有豐富細(xì)節(jié)效果的重建結(jié)果高度場。
【專利說明】一種基于采樣數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)水面重建方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種基于采樣數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)水面重建方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和視覺領(lǐng)域，人們一直試圖利用計(jì)算機(jī)再現(xiàn)周圍的真實(shí)世界。液體，特別是水，作為一種基本的自然元素，是現(xiàn)實(shí)生活中常見的物質(zhì)。在計(jì)算機(jī)中建模生成逼真的液體模型在電影特效、游戲娛樂、模擬培訓(xùn)、災(zāi)情預(yù)演等方面都有很高的應(yīng)用價(jià)值。
[0003]基于物理的流體模擬研究一直是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中的一個(gè)熱點(diǎn)。這類方法以計(jì)算流體力學(xué)(CFD)為基礎(chǔ)，通過計(jì)算機(jī)數(shù)值求解的方式求解描述流體運(yùn)動(dòng)的物理方程，得到每一時(shí)刻流體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。經(jīng)過二三十年的發(fā)展，基于物理的流體模擬方法已經(jīng)可以模擬比較復(fù)雜的流體運(yùn)動(dòng)，模擬結(jié)果細(xì)節(jié)豐富，效果也越來越逼真。但是，這類方法也存在不少缺點(diǎn)，比如計(jì)算復(fù)雜度高、數(shù)值誤差累積等，而且該方法求解的物理方程也不能完全描述真實(shí)世界中液體的所有運(yùn)動(dòng)形態(tài)。
[0004]重建真實(shí)世界中的三維物體或現(xiàn)象是計(jì)算機(jī)視覺中一個(gè)非常重要的研究方向。近年來有人開始研究用基于圖像的重建方法對(duì)液體進(jìn)行建模。這類方法通常用多個(gè)相機(jī)在不同位置捕獲液體運(yùn)動(dòng)的圖像，然后用基于圖像的建模方法從圖像重建得到每一幀對(duì)應(yīng)的液體三維模型。但液體屬于非朗伯體，光線在表面會(huì)發(fā)生高光反射、折射等現(xiàn)象，而且液體本身時(shí)變劇烈，因此液體的重建是一個(gè)非常具有挑戰(zhàn)性的工作。目前這類方法有了一些成果，已經(jīng)可以重建運(yùn)動(dòng)平緩的液體場景。這類方法的數(shù)據(jù)來源于真實(shí)世界，因此重建結(jié)果比較真實(shí)。通?；谝后w的折射屬性，從圖像角度出發(fā)進(jìn)行重建，每個(gè)時(shí)刻多個(gè)相機(jī)共同參與重建得到一個(gè)模型直接輸出。
[0005]基于上述背景，本發(fā)明提出一種基于采樣數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)水面重建方法。多個(gè)相機(jī)兩兩分成多組后進(jìn)行重建，重建得到的水面高度場之間進(jìn)行加權(quán)融合，以減少不同相機(jī)圖像噪聲帶來的重建誤差。融合得到的水面高度場進(jìn)一步用于驅(qū)動(dòng)基于物理的淺水方程模擬過程，以結(jié)合兩者的優(yōu)勢(shì)，生成有真實(shí)數(shù)據(jù)支撐而且細(xì)節(jié)豐富的最終重建結(jié)果高度場。另外，每組相機(jī)重建的方法從體素角度出發(fā)而非圖像，計(jì)算效率更高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是:克服基于圖像重建方法和基于物理模擬方法的一些局限性，提出一種基于采樣數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)水面重建方法，可以生成有真實(shí)數(shù)據(jù)支撐且細(xì)節(jié)豐富的水面模型。
[0007]為完成本發(fā)明的目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:一種基于采樣數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)水面重建方法，使用多個(gè)相機(jī)采集動(dòng)態(tài)水面數(shù)據(jù)，相機(jī)兩兩分組，每組相機(jī)用體素細(xì)分剔除的方法重建水面高度場，得到的多個(gè)水面高度場之間進(jìn)行加權(quán)融合，得到水面融合高度場，水面融合高度場進(jìn)一步驅(qū)動(dòng)基于物理的淺水方程模擬過程，生成既有真實(shí)數(shù)據(jù)支撐又有豐富細(xì)節(jié)效果的重建結(jié)果高度場；其特征在于包括如下步驟:
[0008](I)搭建多相機(jī)的動(dòng)態(tài)水面數(shù)據(jù)采集裝置，已知大小的黑白棋盤格板緊貼于水底，多個(gè)相機(jī)置于水面上方周圍不同視角，固定相機(jī)位置保證每個(gè)相機(jī)可拍攝到完整水底棋盤格圖像，多個(gè)相機(jī)之間保證可同步采集圖像。對(duì)多個(gè)相機(jī)進(jìn)行內(nèi)外參標(biāo)定。制造需要采集的水面運(yùn)動(dòng)場景，多相機(jī)高速同步采集水面運(yùn)動(dòng)情況下水底棋盤格的圖像；
[0009](2)初始時(shí)刻圖像用Harris角點(diǎn)檢測(cè)算法檢測(cè)棋盤格角點(diǎn)，后續(xù)時(shí)刻圖像角點(diǎn)用Lucas-Kanade光流法追蹤確定；利用相機(jī)內(nèi)外參，確定每個(gè)相機(jī)圖像角點(diǎn)和水底棋盤格角點(diǎn)的映射關(guān)系；并對(duì)圖像角點(diǎn)間的映射關(guān)系插值，得到逐像素的映射關(guān)系；
[0010](3)把相機(jī)兩兩分為多個(gè)組，基于步驟(2)求得的圖像像素和水底棋盤格角點(diǎn)的映射關(guān)系，每個(gè)組利用體素細(xì)分剔除的方法重建得到多個(gè)水面高度場；
[0011](4)對(duì)于步驟(I)相機(jī)的每個(gè)采樣時(shí)刻，利用步驟(3)不同組相機(jī)重建得到的水面高度場進(jìn)行重投影計(jì)算重投影誤差，對(duì)多個(gè)水面高度場進(jìn)行加權(quán)融合，重投影誤差小的水面高度場權(quán)重更大，得到水面融合高度場；
[0012](5)利用步驟(4)融合得到的水面融合高度場驅(qū)動(dòng)基于物理的淺水方程模擬過程，模擬生成的淺水方程模擬高度場和水面融合高度場進(jìn)一步融合，得到最終的重建結(jié)果高度場輸出。
[0013]所述步驟(3)中每組相機(jī)采用體素細(xì)分剔除的重建方法，其具體步驟為:把水體所在空間規(guī)則剖分為一個(gè)個(gè)三維體素，把每個(gè)體素中心點(diǎn)投影到本組所有相機(jī)，利用像素和水底棋盤格點(diǎn)的映射關(guān)系確定與投影像素對(duì)應(yīng)的水底點(diǎn)，由相機(jī)光心、體素中心、水底點(diǎn)這三個(gè)點(diǎn)和折射定律求得體素中心點(diǎn)處的折射法向量；對(duì)于中心點(diǎn)水平坐標(biāo)相同的多個(gè)體素，只保留所求法向量方向最一致的一個(gè)體素，其余體素剔除；進(jìn)而對(duì)留下的體素繼續(xù)進(jìn)行如上所述的細(xì)分剔除過程，直到體素大小小于給定的閾值。
[0014]所述步驟(4)中不同組多個(gè)水面高度場加權(quán)融合的方法，其目的是減少不同相機(jī)圖像噪聲帶來的重建誤差，其具體步驟為:首先利用每組水面高度場，將水底棋盤格角點(diǎn)重投影成像到該組中的任意一個(gè)相機(jī)，計(jì)算重投影成像點(diǎn)和原始圖像對(duì)應(yīng)角點(diǎn)的偏差，即為重投影誤差；將水面區(qū)域劃分為多個(gè)子區(qū)域，每個(gè)區(qū)域的水面融合高度場由每組水面高度場對(duì)應(yīng)相同區(qū)域部分加權(quán)融合而成，重投影誤差小的水面高度場權(quán)重設(shè)置更大。
[0015]所述步驟(5)中利用水面融合高度場驅(qū)動(dòng)基于物理的淺水方程模擬過程的方法，其目的是往水面融合高度場中添加淺水方程模擬高度場的細(xì)節(jié)效果，得到有真實(shí)數(shù)據(jù)支撐同時(shí)細(xì)節(jié)豐富的重建結(jié)果高度場，其具體步驟為:步驟(4)所述方法融合得到的初始時(shí)刻的水面融合高度場作為基于物理的淺水方程模擬求解的初始迭代高度場。對(duì)于相機(jī)后續(xù)的每個(gè)采樣時(shí)刻點(diǎn)，把步驟(4)所述方法融合得到的水面融合高度場和淺水方程模擬高度場進(jìn)一步加權(quán)融合，得到該時(shí)刻的重建結(jié)果高度場輸出，重建結(jié)果高度場同時(shí)作為基于物理的淺水方程模擬下一迭代步的初始迭代高度場，驅(qū)動(dòng)基于物理的淺水方程模擬后續(xù)過程。
[0016]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:
[0017](I)由圖像重建水面模型的過程從體素空間出發(fā)，計(jì)算效率比從圖像空間的高；
[0018](2)同一時(shí)刻相機(jī)重建的多組水面高度場加權(quán)融合，減少圖像噪聲帶來的重建誤差;
[0019](3)多組水面高度場間融合的結(jié)果進(jìn)一步和淺水方程模擬高度場融合，增加水面的細(xì)節(jié)效果；
[0020](4)能夠生成既有真實(shí)數(shù)據(jù)支撐又有豐富細(xì)節(jié)效果的動(dòng)態(tài)水面模型。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1為本發(fā)明的步驟流程圖；
[0022]圖2為本發(fā)明的動(dòng)態(tài)水面數(shù)據(jù)采集裝置圖；
[0023]圖3為本發(fā)明的水面融合高度場驅(qū)動(dòng)基于物理的淺水方程模擬過程原理圖。【具體實(shí)施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。
[0025]本發(fā)明提出一種基于采樣數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)水面重建方法，從真實(shí)世界采集重建得到虛擬現(xiàn)實(shí)【技術(shù)領(lǐng)域】可重用的動(dòng)態(tài)水面模型。具體實(shí)施過程如圖1所示，包括搭建數(shù)據(jù)采集裝置及動(dòng)態(tài)水面數(shù)據(jù)采集、圖像特征點(diǎn)匹配、多個(gè)相機(jī)的分組及每組內(nèi)水面高度場的重建、多組水面高度場間的加權(quán)融合、利用水面融合高度場驅(qū)動(dòng)基于物理的淺水方程模擬過程等步驟。
[0026]1、搭建動(dòng)態(tài)水面數(shù)據(jù)采集裝置，裝置如圖2所示。用一個(gè)玻璃水箱盛放透明的純凈水，水底固定放置一張黑白棋盤格板，四個(gè)工業(yè)相機(jī)固定于水箱上方四周，離水面約Im左右，對(duì)著水面采集水底棋盤格圖像。盡量讓黑白棋盤格板區(qū)域填充滿每個(gè)相機(jī)的圖像區(qū)域，以增加像素利用率。黑白棋盤格紙鍍上塑膠保護(hù)膜，然后粘貼固定于一塊平面板上。這塊黑白棋盤格板既用于四個(gè)相機(jī)的標(biāo)定，也用于動(dòng)態(tài)水面數(shù)據(jù)的采集。數(shù)據(jù)采集過程中，黑白棋盤格板直接投放固定于水箱底部與水直接接觸，避免光線二次折射。四個(gè)相機(jī)通過一臺(tái)控制PC以并口外觸發(fā)的方式嚴(yán)格同步采集數(shù)據(jù)，圖像數(shù)據(jù)通過1394線存儲(chǔ)于PC內(nèi)存，采集完成后轉(zhuǎn)存硬盤。對(duì)四個(gè)相機(jī)進(jìn)行內(nèi)外參標(biāo)定。相機(jī)的采樣幀率最好大于30fps，采樣分辨率盡量高，推薦高于800*600。黑白棋盤格方格大小不可太大，推薦IOmmX 10mm。相機(jī)內(nèi)外參標(biāo)定完成后，在玻璃水箱中倒入純凈水，水的深度不宜過大，推薦IOcm以內(nèi)。制造需要采集的動(dòng)態(tài)水面運(yùn)動(dòng)場景。比如可以用滴管從玻璃水箱正上方滴水，水滴落到水箱中形成規(guī)則波紋擴(kuò)散的場景，或者用吹風(fēng)機(jī)在水箱上方制造隨機(jī)風(fēng)向，形成水面紊亂運(yùn)動(dòng)的水面場景。四個(gè)相機(jī)從水面靜止時(shí)刻開始同步采集整個(gè)水面運(yùn)動(dòng)過程，采集得到的圖像序列用于后續(xù)步驟處理。
[0027]2、圖像特征點(diǎn)匹配。透明水體沒有明顯的特征點(diǎn)，因此重建算法利用水底棋盤格圖像的角點(diǎn)作為特征進(jìn)行重建。水面靜止的初始時(shí)刻圖像用Harris角點(diǎn)檢測(cè)算法檢測(cè)棋盤格角點(diǎn)，后續(xù)時(shí)刻圖像角點(diǎn)用Lucas-Kanade光流法追蹤確定。利用相機(jī)標(biāo)定得到的內(nèi)外參，可以確定每個(gè)相機(jī)每個(gè)圖像角點(diǎn)和水底棋盤格角點(diǎn)的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。進(jìn)而對(duì)圖像角點(diǎn)間的映射關(guān)系進(jìn)行雙線性插值，得到逐像素的映射關(guān)系。
[0028]3、多個(gè)相機(jī)的分組及每組內(nèi)水面高度場的重建。四個(gè)相機(jī)交叉間隔兩兩分組，每組內(nèi)兩個(gè)相機(jī)單獨(dú)進(jìn)行重建。重建算法采用voxel carving并逐漸細(xì)分搜索的思路,具體步驟為:(1)體素剖分。假設(shè)水底棋盤格所在平面為χ-y平面，把水體所在空間規(guī)則剖分為一個(gè)個(gè)大小相等的三維立方體體素，立方體的一個(gè)面和χ-y平面平行。(2)體素重投影，計(jì)算法向量。對(duì)于每個(gè)三維體素，假設(shè)其中心處于水面上。把該體素中心點(diǎn)投影到本組所有相機(jī)，利用投影像素和水底點(diǎn)的映射關(guān)系確定水底點(diǎn)，由相機(jī)光心、體素中心、水底點(diǎn)這三個(gè)點(diǎn)和折射定律求得該體素中心的水面法向量。(3)體素剔除。對(duì)于中心坐標(biāo)χ-y值相同的體素，只保留投影到兩個(gè)相機(jī)后所求兩個(gè)法向量方向最一致的體素，其余體素剔除。(4)細(xì)分搜索優(yōu)化。對(duì)剔除步驟后留下的體素重復(fù)利用上述(I) (2) (3)步，直到體素大小小于給定的閾值，此時(shí)留下的體素是最接近水面的體素。連接所有留下的體素中心，得到連續(xù)的水面高度場。
[0029]4、多組水面高度場間的加權(quán)融合，得到水面融合高度場。首先利用每組水面高度場，將水底棋盤格角點(diǎn)重投影成像到該組中的任意一個(gè)相機(jī)，計(jì)算重投影成像點(diǎn)和原始圖像對(duì)應(yīng)角點(diǎn)的偏差，此即為重投影誤差。利用重投影誤差評(píng)判水面高度場的精確度。如果重投影誤差越小，則對(duì)應(yīng)水面高度場重建越精確。將水面區(qū)域在χ-y坐標(biāo)上劃分為多個(gè)子區(qū)域，每個(gè)子區(qū)域的水面融合高度場由每組水面高度場對(duì)應(yīng)相同區(qū)域部分加權(quán)融合而成，重投影誤差小的水面高度場權(quán)重更大。具體地說，對(duì)于每個(gè)子區(qū)域，先計(jì)算該區(qū)域內(nèi)所有重投影點(diǎn)的平均重投影誤差。SM1Uy)和仏(1，7)分別表示第一組和第二組水面高度場在水平坐標(biāo)為U，y)的點(diǎn)對(duì)應(yīng)的水面高度值。加權(quán)融合過程按照下述公式進(jìn)行:
[0030]M(x, y) = a M1 (X，y) + (l_ a )M2(x, y)(公式 I)
[0031]其中α (0〈α〈1)是融合權(quán)重，M(x，y)是融合結(jié)果。對(duì)于每個(gè)時(shí)刻劃分的每個(gè)子區(qū)域，若第一組相機(jī)的重投影誤差大于第二組相機(jī)的重投影誤差，則0〈 α〈0.5 ;若相等，則α =0.5 ;否則0.5〈 α〈I。對(duì)于該子區(qū)域內(nèi)的所有角點(diǎn)坐標(biāo)值(x，y)，按照上述公式I進(jìn)行融合。所有子區(qū)域均進(jìn)行上述融合過程，最終得到每個(gè)時(shí)刻的水面融合高度場。
[0032]5、利用水面融合高度場驅(qū)動(dòng)基于物理的淺水方程模擬過程。上述重建融合得到的水面融合高度場再進(jìn)一步 與基于物理的淺水方程模擬高度場融合，以增加細(xì)節(jié)效果。融合過程如圖3所示。
[0033]淺水方程(Shallow Water Equation, SWE)是描述淺水運(yùn)動(dòng)的一個(gè)物理方程:
[0034]zt = - (zxu+zyv+z (ux+vy)) (公式 2)
[0035]式中，t是時(shí)間，x、y是兩個(gè)水平坐標(biāo)軸，z是水面高度，U、V是速度在x、y兩個(gè)坐標(biāo)軸上的分量，下標(biāo)表示偏導(dǎo)數(shù)。公式(2)表明，水面高度的變化受兩項(xiàng)驅(qū)動(dòng):一項(xiàng)是水平速度的對(duì)流-(zxu+zyv),另一項(xiàng)是二維散度場-Z (ux+vy)。
[0036]基于物理的淺水方程模擬方法利用計(jì)算機(jī)數(shù)值求解公式2，得到每一個(gè)時(shí)刻水面高度場的位置。把上述第4步初始時(shí)刻相機(jī)重建融合得到的水面融合高度場作為淺水方程模擬的初始迭代高度場，用于后續(xù)模擬步驟的迭代。對(duì)于相機(jī)后續(xù)的每個(gè)采樣時(shí)刻點(diǎn)，把相機(jī)重建融合得到的水面融合高度場和淺水方程模擬高度場進(jìn)行加權(quán)融合，融合過程按照如下公式進(jìn)行:
[0037]M(x, y) = a Mc (x, y) + (l- a )Ms(x, y)(公式 3)
[0038]其中Μ。(χ，y)和Ms(x, y)分別表示水面融合高度場和淺水方程模擬高度場在水平坐標(biāo)為(x，y)點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的水面高度，α為融合權(quán)重。此時(shí)不好對(duì)比水面融合高度場和淺水方程模擬高度場的誤差，因此可以設(shè)置權(quán)重因子為α =0.5，相當(dāng)于是取兩個(gè)高度場的平均值。對(duì)整個(gè)水面區(qū)域的所有采樣點(diǎn)利用公式3進(jìn)行加權(quán)求和，即得到該時(shí)刻的重建結(jié)果高度場。同時(shí)把該時(shí)刻的重建結(jié)果高度場作為基于物理的淺水方程下一個(gè)迭代步的初始迭代高度場，用于驅(qū)動(dòng)基于物理的淺水方程模擬后續(xù)過程。[0039]通?；谖锢淼臏\水方程模擬的迭代時(shí)間步長比相機(jī)采樣的時(shí)間間隔短，因此對(duì)于基于物理的淺水方程模擬過程在兩個(gè)相機(jī)采樣時(shí)刻中間的迭代步驟，可以按如圖3所示，把相機(jī)重建融合的兩個(gè)水面融合高度場M1和M2插值，插值得到的中間模型和淺水方程模擬高度場按照公式3加權(quán)求和，作為淺水方程模擬下一個(gè)迭代步的初始迭代高度場，這樣相當(dāng)于用真實(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)約束了淺水方程的每一個(gè)迭代步驟，使得模擬結(jié)果更可靠。
[0040]對(duì)于相機(jī)的每個(gè)采樣時(shí)刻的圖像，均按照上述步驟2、3、4、5進(jìn)行重建，重建得到的時(shí)間序列上連續(xù)的多個(gè)重建結(jié)果高度場形成最終的動(dòng)態(tài)水面模型。
[0041]本發(fā)明未詳細(xì)闡述的部分屬于本領(lǐng)域的技術(shù)人員公知技術(shù)。
[0042]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種基于采樣數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)水面重建方法，使用多個(gè)相機(jī)采集動(dòng)態(tài)水面數(shù)據(jù)，相機(jī)兩兩分組，每組相機(jī)用體素細(xì)分剔除的方法重建水面高度場，得到的多個(gè)水面高度場之間進(jìn)行加權(quán)融合，得到水面融合高度場，水面融合高度場進(jìn)一步驅(qū)動(dòng)基于物理的淺水方程模擬過程，生成既有真實(shí)數(shù)據(jù)支撐又有豐富細(xì)節(jié)效果的重建結(jié)果高度場；其特征在于包括如下步驟: (1)搭建多相機(jī)的動(dòng)態(tài)水面數(shù)據(jù)采集裝置，已知大小的黑白棋盤格板緊貼于水底，多個(gè)相機(jī)置于水面上方周圍不同視角，固定相機(jī)位置保證每個(gè)相機(jī)可拍攝到完整水底棋盤格圖像，多個(gè)相機(jī)之間保證可同步采集圖像；對(duì)多個(gè)相機(jī)進(jìn)行內(nèi)外參標(biāo)定；制造需要采集的水面運(yùn)動(dòng)場景，多相機(jī) 高速同步采集水面運(yùn)動(dòng)情況下水底棋盤格的圖像； (2)初始時(shí)刻圖像用Harris角點(diǎn)檢測(cè)算法檢測(cè)棋盤格角點(diǎn)，后續(xù)時(shí)刻圖像角點(diǎn)用Lucas-Kanade光流法追蹤確定；利用相機(jī)內(nèi)外參，確定每個(gè)相機(jī)圖像角點(diǎn)和水底棋盤格角點(diǎn)的映射關(guān)系；并對(duì)圖像角點(diǎn)間的映射關(guān)系插值，得到逐像素的映射關(guān)系； (3)把相機(jī)兩兩分為多個(gè)組，基于步驟(2)求得的圖像像素和水底棋盤格角點(diǎn)的映射關(guān)系，每個(gè)組利用體素細(xì)分剔除的方法重建得到多個(gè)水面高度場； (4)對(duì)于步驟(1)相機(jī)的每個(gè)采樣時(shí)刻，利用步驟(3)不同組相機(jī)重建得到的水面高度場進(jìn)行重投影計(jì)算重投影誤差，對(duì)不同組多個(gè)水面高度場進(jìn)行加權(quán)融合，重投影誤差小的水面高度場權(quán)重更大，得到水面融合高度場； (5)利用步驟(4)重建融合得到的水面融合高度場驅(qū)動(dòng)基于物理的淺水方程模擬過程，模擬生成的淺水方程模擬高度場和水面融合高度場進(jìn)一步融合，得到最終的重建結(jié)果高度場輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于采樣數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)水面重建方法，其特征在于:所述步驟(3)中每組相機(jī)采用體素細(xì)分剔除的重建，其具體步驟為:把水體所在空間規(guī)則剖分為一個(gè)個(gè)三維體素，把每個(gè)體素中心點(diǎn)投影到本組所有相機(jī)，利用像素和水底棋盤格點(diǎn)的映射關(guān)系確定與投影像素對(duì)應(yīng)的水底點(diǎn)，由相機(jī)光心、體素中心、水底點(diǎn)這三個(gè)點(diǎn)和折射定律求得體素中心點(diǎn)處的折射法向量；對(duì)于中心點(diǎn)水平坐標(biāo)相同的多個(gè)體素，只保留所求法向量方向最一致的一個(gè)體素，其余體素剔除；進(jìn)而對(duì)留下的體素繼續(xù)進(jìn)行如上所述的細(xì)分剔除過程，直到體素大小小于給定的閾值。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于采樣數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)水面重建方法，其特征在于:所述步驟(4)中不同組多個(gè)水面高度場加權(quán)融合，其目的是減少不同相機(jī)圖像噪聲帶來的重建誤差，其具體步驟為:首先利用每組水面高度場，將水底棋盤格角點(diǎn)重投影成像到該組中的任意一個(gè)相機(jī)，計(jì)算重投影成像點(diǎn)和原始圖像對(duì)應(yīng)角點(diǎn)的偏差，即為重投影誤差；將水面區(qū)域劃分為多個(gè)子區(qū)域，每個(gè)區(qū)域的水面融合高度場由每組水面高度場對(duì)應(yīng)相同區(qū)域部分加權(quán)融合而成，重投影誤差小的水面高度場權(quán)重設(shè)置更大。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于采樣數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)水面重建方法，其特征在于:所述步驟(5)中，利用水面融合高度場驅(qū)動(dòng)基于物理的淺水方程模擬過程，其目的是往水面融合高度場中添加淺水方程模擬高度場的細(xì)節(jié)效果，得到有真實(shí)數(shù)據(jù)支撐同時(shí)細(xì)節(jié)豐富的重建結(jié)果高度場，其具體步驟為:權(quán)利要求3所述方法融合得到的初始時(shí)刻的水面融合高度場作為基于物理的淺水方程模擬求解的初始迭代高度場；對(duì)于相機(jī)后續(xù)的每個(gè)采樣時(shí)刻點(diǎn)，把權(quán)利要求3所述方法融合得到的水面融合高度場和淺水方程模擬高度場進(jìn)一步加權(quán)融合，得到該時(shí)刻的重建結(jié)果高度場輸出，重建結(jié)果高度場同時(shí)作為基于物理的淺水方程模擬下一迭代步的初始 迭代高度場，驅(qū)動(dòng)基于物理的淺水方程模擬后續(xù)過程。
【文檔編號(hào)】G06T17/00GK103700138SQ201310616867
【公開日】2014年4月2日 申請(qǐng)日期:2013年11月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月27日
【發(fā)明者】周忠, 吳威, 賴志堅(jiān), 邵緒強(qiáng) 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)