一種基于煙模擬的漢字形狀變形方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于計(jì)算機(jī)視覺與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域，具體地說是一種基于密度場(chǎng)的變形 方法，該方法可根據(jù)用戶輸入的一系列形狀，生成連貫的變形過程，用于電視、電影、游戲等 領(lǐng)域的特效制作。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，人們?cè)絹碓阶⒅刈匀滑F(xiàn)象在計(jì)算機(jī)動(dòng)畫中的多樣性 與趣味性，在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域，如煙、火、水等流體的模擬是必不可少的。該種流體的模擬 不僅可W生成逼真的流體場(chǎng)景，還可W用來制作一些非自然的特效，比如煙聚集生成特殊 的形狀或者沿著某一特定路線運(yùn)動(dòng)。
[000引流體的運(yùn)動(dòng)可W用著名的納維-斯托克斯方程（化vier-StokesEquation)來描 述：
[0004] dw/dt - -(U ? V)U - V；；+ f ( 1)
[0005] V-u = 0 (2)
[0006] 其中u表示速度場(chǎng)，f表示外力，P表示壓強(qiáng)，t表示時(shí)間。而流體中的可見物體 (如染料，或者煙的顆粒等，用場(chǎng)I表示）可W用如下公式描述：
[0007] 31/dt =-U? V/ (3)
[000引煙的模擬一般采用歐拉網(wǎng)格對(duì)空間進(jìn)行劃分，在二維模擬中，一個(gè)像素就可看作 一個(gè)網(wǎng)格單元。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明提出了一種基于煙模擬的漢字形狀變形方法。包括；第一步驟是根據(jù)漢字 形狀生成距離場(chǎng)；第二步驟是在每一帖模擬過程中，根據(jù)當(dāng)前的煙密度場(chǎng)和目標(biāo)漢字形狀 生成的距離場(chǎng)來計(jì)算控制力；第=步驟是在傳統(tǒng)基于網(wǎng)格的煙的模擬過程中加入了一個(gè)密 度場(chǎng)的聚集與擴(kuò)散過程，可W更加有效地驅(qū)使煙向目標(biāo)形狀變化。
【附圖說明】
[0010] 圖1示出本發(fā)明基于煙模擬的漢字形狀變形技術(shù)的主要流程圖；
[0011] 圖2示出本發(fā)明根據(jù)漢字形狀生成距離場(chǎng)過程中提取漢字輪廓的方法；(a)在尋 找輪廓時(shí)在每個(gè)像素角點(diǎn)探測(cè)輪廓的順序，入射箭頭為從前一個(gè)輪廓點(diǎn)到當(dāng)前輪廓點(diǎn)的方 向，出射箭頭為探測(cè)下一個(gè)輪廓點(diǎn)的方向，箭頭上的數(shù)字為探測(cè)順序。化）找到第一個(gè)漢字 區(qū)域像素時(shí)的輪廓；（C)最后找到的輪廓。
【具體實(shí)施方式】
[0012] 如圖1所示，本發(fā)明的基于煙模擬的漢字形狀變形技術(shù)采用如下步驟：
[0013] (1)由用戶輸入的漢字生成相應(yīng)的距離場(chǎng)。每個(gè)漢字用二值化的圖像進(jìn)行表述， 如圖2所示，黑色區(qū)域?yàn)闈h字的筆畫，白色區(qū)域?yàn)榭瞻?。?duì)二值圖像提取輪廓首先找到一個(gè) 輪廓點(diǎn)，第一輪廓點(diǎn)的尋找方法是從上往下從左往右掃描圖像，找到第一個(gè)黑色像素（如 圖2(b)中所示）；然后沿著逆時(shí)針方向去尋找下一個(gè)輪廓點(diǎn)，尋找下一個(gè)輪廓點(diǎn)時(shí)的捜索 方向按照?qǐng)D2(a)中的順序來捜索；最后得到的輪廓如圖2(c)所示。然后是計(jì)算距離場(chǎng)，每 個(gè)像素的距離為離所有輪廓點(diǎn)最短的距離，但是黑色區(qū)域?yàn)檎?，白色區(qū)域?yàn)樨?fù)。
[0014] (2)煙的模擬過程中，由當(dāng)前密度場(chǎng)和目標(biāo)漢字的距離場(chǎng)結(jié)合生成控制力?？刂屏?分為目標(biāo)形狀內(nèi)和形狀外兩個(gè)區(qū)域，對(duì)于形狀外的煙，我們需要盡快地將它們驅(qū)使到形狀 內(nèi)，而對(duì)于形狀內(nèi)的煙，我們需要盡可能地將它們擴(kuò)散到形狀內(nèi)的各個(gè)地方。力的方向由如 下公式給出：
[0015]
[0016] 式中dis為距離場(chǎng)，V為梯度符號(hào)，Mask(i，j)是描述了目標(biāo)形狀，為1時(shí)表示在 形狀內(nèi)，為0時(shí)表示在形狀外?？刂屏τ晒絘lz給出，式中a是系數(shù)。
[0017] (3)對(duì)于每一帖煙的模擬，分為五個(gè)步驟：
[0018] (a)施加力。包含外力和內(nèi)力兩個(gè)部分，傳統(tǒng)的煙模擬方法中外力主要是指浮力 或者風(fēng)力，本發(fā)明中外力是用來控制煙的運(yùn)動(dòng)的控制力。內(nèi)力是旋度增強(qiáng)力，主要用來增 加煙的旋轉(zhuǎn)細(xì)節(jié)。先計(jì)算出當(dāng)然速度場(chǎng)的旋度，如公式0)二Vxu所示，式中《為旋度 場(chǎng)。然后計(jì)算旋度的梯度方向場(chǎng)，如果公式~=iv'i^'il所示，最后計(jì)算旋度力= eh(NX?)，式中fconf是旋度增強(qiáng)力。
[0019] (b)速度平流。使用傳統(tǒng)煙模擬過程中的后向追蹤的方式進(jìn)行速度場(chǎng)的平流。
[0020] (C)速度投影。速度投影是指計(jì)算一個(gè)無散度的速度場(chǎng)，并且和原先的速度場(chǎng)盡可 能接近，使用泊松方程求解即可。
[0021] (d)密度場(chǎng)平流。使用傳統(tǒng)煙模擬過程中的后向追蹤的方式進(jìn)行密度場(chǎng)的平流。
[0022] (e)密度場(chǎng)的聚集與擴(kuò)散。擴(kuò)散可W將煙傳播到鄰近區(qū)域，當(dāng)漢字形狀較為復(fù)雜 時(shí)，該個(gè)步驟顯得極為有效，我們使用高斯平滑來實(shí)現(xiàn)煙的擴(kuò)散。而煙的聚集是將煙從非目 標(biāo)形狀區(qū)域聚集到形狀區(qū)域。我們使用的聚集方法極為簡(jiǎn)單但是效果很好：
[0023]
[0024] 式中0<0。<1，0 1〉1是兩個(gè)系數(shù)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于煙模擬的漢字形狀變形方法，其特征在于包括以下步驟： (1) 由用戶輸入的漢字生成相應(yīng)的距離場(chǎng)； (2) 煙的模擬過程中，由當(dāng)前密度場(chǎng)和目標(biāo)漢字的距離場(chǎng)結(jié)合生成控制力； (3) 在每一幀煙的模擬過程包括以下方面：施加力，速度平流，速度投影，密度場(chǎng)平流， 密度場(chǎng)的聚集與擴(kuò)散。2. 如權(quán)利要求1中所述的一種基于煙模擬的漢字形狀變形方法，其特征在于：所述步 驟（1)，用戶輸入的漢字為二值化圖像，黑色為漢字區(qū)域，白色為非漢字區(qū)域，采用從上往 下，從左往右的順序找到第一個(gè)漢字區(qū)域像素，然后逆時(shí)針地尋找漢字輪廓，輪廓用一系列 像素角點(diǎn)表示，在計(jì)算距離場(chǎng)時(shí)，每個(gè)像素的距離定義為距離最近的輪廓點(diǎn)的距離，距離包 含正負(fù)符號(hào)，在漢字區(qū)域內(nèi)的距離都為正，在非漢字區(qū)域的距離都為負(fù)。3. 如權(quán)利要求1中所述的一種基于煙模擬的漢字形狀變形方法，其特征在于：所述步 驟（2)，控制力在漢字區(qū)域和非漢字區(qū)域采用了不同的計(jì)算方法，對(duì)于非漢字區(qū)域，控制力 的方向是沿著距離場(chǎng)的梯度方向，大小與煙的溫度成正比，對(duì)于漢字區(qū)域，控制力的方向?yàn)?煙密度場(chǎng)梯度的反方向，大小與煙的溫度成正比。4. 如權(quán)利要求3中所述的一種基于煙模擬的漢字形狀變形方法，其特征在于：所述步 驟⑶，"施加力"中的力分為外力與內(nèi)力，內(nèi)力為旋度場(chǎng)增強(qiáng)力，力的大小與當(dāng)前的速度場(chǎng) 中的旋度場(chǎng)相關(guān)，外力為所述控制力；"速度平流"，"速度投影"，"密度場(chǎng)平流"，采用了圖形 學(xué)中的計(jì)算方法；"密度場(chǎng)的聚集與擴(kuò)散"中，煙的擴(kuò)散的實(shí)現(xiàn)方式為對(duì)整個(gè)密度場(chǎng)進(jìn)行高 斯平滑，而煙的聚集實(shí)現(xiàn)方式為對(duì)于非漢字區(qū)域，煙密度值乘以一個(gè)小于1的系數(shù)，對(duì)于漢 字區(qū)域，煙密度值乘上一個(gè)大于1的系數(shù)，最后對(duì)整個(gè)煙密度場(chǎng)的值進(jìn)行縮放，以保證煙的 總量在每幀中不變。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于煙模擬的漢字形狀變形方法。該方法中的漢字用煙的密度場(chǎng)來表示，漢字的形狀變形即是煙的密度場(chǎng)的變化。在煙的模擬過程中，每一幀的外力場(chǎng)是根據(jù)煙的當(dāng)前狀態(tài)來計(jì)算生成的，而整個(gè)漢字的變形過程由用戶輸入的一系列漢字形狀來決定。
【IPC分類】G06T3/00
【公開號(hào)】CN104978711
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510424059
【發(fā)明人】梁曉輝, 左慶, 郭承禹, 顧敏杰, 阮松松, 王寧
【申請(qǐng)人】北京航空航天大學(xué)
【公開日】2015年10月14日
【申請(qǐng)日】2015年7月17日