基于計算機視覺和粒子系統(tǒng)三維云模擬

1、基于計算機視覺和粒子系統(tǒng)三維云模擬    【摘要】  云是很常見的一種自然現(xiàn)象，真實感云的模擬是計算機圖形學(xué)領(lǐng)域具有挑戰(zhàn)性的研究課題。文章提出了一種基于計算機視覺和粒子系統(tǒng)的三維云建模方法。首先利用計算機視覺技術(shù)從現(xiàn)有的二維云圖像中提取云的三維信息，然后利用粒子系統(tǒng)填充該三維空間，最后通過紋理映射和Billboard技術(shù)實現(xiàn)三維云的繪制。與以往云建模方法相比，該方法簡單、實用，適用于模擬不同種類的云，如層云、積云、卷云等。 【關(guān)鍵詞】  云模擬； 計算機視覺； 粒子系統(tǒng)      Simulat

2、ing 3D cloud based on computer vision and particle systemGONG Lin1,  WANG Shanbin1,  GU Daquan2     (1. Zhenjiang Watercraft College, The Center of Simulation, Zhenjiang 212003, China；     2. Institute of Meteorology, PLA University. of Science and Technology,

3、 Nanjing 211101, China)     Abstract: Clouds are an important part of natural environment. The realistic simulation of cloud is a challenging topic in computer graphics. This paper proposes a simple, efficient approach based on computer vision and particle system to model various 3D c

4、louds. This method uses computer vision technology to extract 3D structure information of clouds from images, then using particles technology to fill the 3D space and render the cloud. At last, the cloud is rendered by using texture mapping and billboard technology. This method is suitable to model

5、all kinds of clouds, such as stratus, cumulus, cirrus etc. It is an improvement over earlier systems that modeled only one type of cloud.     Key words:  cloud simulation; computer vision; particle system     云的模擬一直是計算機圖形學(xué)中最具有挑戰(zhàn)性的研究方向之一。在過去的20年里，國內(nèi)外研究人員提出了一些云模擬仿真的方

6、法，目前按照建模技術(shù)的不同，主要分為以下四種方法：第一是粒子系統(tǒng)方法1,2；第二是過程紋理函數(shù)方法3,4；第三是基于變形球的方法5,6；第四是基于物理過程的方法7,8。盡管這些方法能產(chǎn)生比較真實的云圖像，但大部分云建模技術(shù)仿真產(chǎn)生的云的形狀都是隨機的，或者只是針對某一種類的云，想要產(chǎn)生不同種類的云（如積云、卷云、層云）就不能使用同一種建模方法。雖然基于物理過程的方法可以解決這一問題，能產(chǎn)生不同種類的云，但龐大的時間和空間消耗，目前的計算機工作平臺還不能滿足其要求。因此本文初步探索了一種基于計算機視覺技術(shù)和粒子系統(tǒng)的三維云模擬方法。該方法可以模擬出不同類型的云，如層云、積云、卷云等等。主要思想是

7、首先利用計算機視覺技術(shù)從真實拍攝的云圖中提取云的三維輪廓形狀，然后使用粒子系統(tǒng)填充該三維空間。在具體實現(xiàn)時，我們首先是從云圖中恢復(fù)云體的二維形狀；然后利用計算機視覺技術(shù)擴充這個二維輪廓到三維空間從而構(gòu)成一個三維的云體；最后使用成千上萬個粒子填充該三維空間。每個粒子都具有半徑、密度、顏色和透明度等屬性，通過適當(dāng)?shù)卣{(diào)整云粒子的這些屬性，我們可以得到很好的云效果。     本文在初步實現(xiàn)時，主要實現(xiàn)了如下的工作：     (1) 根據(jù)現(xiàn)有的云圖，通過用戶標(biāo)記特定的特征參數(shù)來選定相應(yīng)的生成元，比如云的大體輪廓形狀，在控制云的輪廓過程中，并適當(dāng)

8、地進(jìn)行平移、縮放、旋轉(zhuǎn)等組合操作來重建三維云的輪廓。     (2) 根據(jù)圖像中云表面的明暗變化來恢復(fù)云層的厚度和光照的變化。     (3) 充分利用粒子特性在三維空間內(nèi)進(jìn)行粒子填充渲染。     1  技術(shù)背景*21.1  計算機視覺技術(shù)    計算機視覺研究的本質(zhì)問題就是利用二維投影圖像來認(rèn)知和識別三維世界，三維重建技術(shù)能夠從二維圖像出發(fā)構(gòu)造具有真實感的三維圖形，為進(jìn)一步的場景變化和組合運算奠定基礎(chǔ)。其中陰影恢復(fù)形狀法是計算機視覺中三維形狀恢復(fù)(3D

9、 shape recovery)問題中關(guān)鍵技術(shù)之一9，其任務(wù)是利用單幅圖像中物體表面的明暗變化來恢復(fù)表面各點的相對高度或表面法向量等參數(shù)值?；趫D像的三維重建技術(shù)所需要的成本低，具有很大的靈活性，但是它一般只能達(dá)到簡單的三維建模功能，也就是說它比較適合簡單的規(guī)則幾何體的三維重建。而云的外形是極其復(fù)雜的，根據(jù)云生成和增長的物理條件不同，云的形狀也有很大的不同，比如積云輪廓分明，頂部凸起，云底平坦，云塊之間多是不相連的直展云，因此這種云輪廓的提取就比較的簡單。但像層云和卷云的輪廓形狀不是分明，因此它的提取就有一定的困難。引入基于圖像的方法來恢復(fù)云的三維形狀主要是針對靜態(tài)的立體感要求較強的可以對云進(jìn)

10、行全方位觀察的演示場合。     1.2  粒子系統(tǒng)     粒子系統(tǒng)是迄今為止公認(rèn)的模擬不規(guī)則模糊物體最為成功的一種圖形生成方法。它采用了一套完全不同于以往造型、繪制系統(tǒng)的方法來構(gòu)造和繪制景物，景物被定義為由成千上萬個不規(guī)則的并且是隨機分布的粒子組成，每個粒子都有一定的生命周期，每時每刻都在不斷地運動和改變形態(tài)，由諸多粒子的集合而不是個別粒子形成了景物的整體形態(tài)和特征以及動態(tài)變化。粒子系統(tǒng)具有獨特的優(yōu)點：(1) 系統(tǒng)比較靈活，如其組成的粒子既可以是最簡單的點，也可以具有一定的結(jié)構(gòu)，可根據(jù)描述的對象隨意調(diào)整，且相對來說易于實

11、現(xiàn)，另外，根據(jù)場景的特點、粒子的數(shù)量、對時間以及硬件平臺的需求不苛刻。(2) 系統(tǒng)的模型是過程化的，在其中可加入隨機過程，因此，獲得精細(xì)的模型不需大量的設(shè)計時間。在系統(tǒng)中，我們把云看成是由許多粒子填充而成，每一個粒子均具有：形狀、大小、顏色、透明度、位置、速度和生命期等屬性，盡管本文選擇粒子系統(tǒng)來建模云體，但我們的目標(biāo)是模擬出不同種類的云，云的動態(tài)變化不是很重要，因此粒子的運動及粒子間的相互關(guān)系都可以被忽略。     2  云的建模*22.1  基于圖像的云外形生成    云的輪廓信息可以采用圖像處理技術(shù)從真實云圖

12、自動提取或采用人工交互技術(shù)有選擇的提取，或從多幅圖像中提取云的三維輪廓信息10。由于大部分的基于計算機自動的重建方法效果不是很好，而且，對于云這種形狀及其復(fù)雜的物體，利用自動重建方法重建三維信息具有很大的難度。因此，本文在重建過程中適當(dāng)增加人為交互的方法，使用手動交互操作，通過人工標(biāo)記云輪廓上一些特征點，并根據(jù)生成云形精度的需要，自動調(diào)整選取點的密度，記錄下的所有選取點的坐標(biāo)位置形成云的二維輪廓，然后根據(jù)一些已知參數(shù)把二維輪廓信息擴展到三維空間，從而構(gòu)造出各類特定形狀的外形。這樣，一方面可以使算法簡單，另一方面也可以使重建的效果更好。     2.2 

13、云體的建模     本文使用掃描線填充算法確定云體內(nèi)部各粒子的位置信息，在可能的位置上采用隨機函數(shù)選中粒子位置。掃描線算法可以實現(xiàn)已知多邊形域邊界的填充，該填充方法是按掃描線的順序，計算掃描線與待填充區(qū)域的相交區(qū)間，再用要求的顏色顯示這些區(qū)間的像素，即完成填充工作。這里區(qū)間的端點通過計算掃描線與多邊形邊界線的交點獲得。     云形的掃描線填充算法主要步驟：根據(jù)得到的二維坐標(biāo)數(shù)據(jù)組成的多邊形，按照掃描線填充算法的思想對其進(jìn)行掃描，得到輪廓內(nèi)部平面所有的均勻坐標(biāo)數(shù)據(jù)，由于掃描線法得到的數(shù)據(jù)比較密集且整齊，為了避免云的單調(diào)，不自然，我們對

14、每條掃描線上的數(shù)據(jù)點進(jìn)行隨機地選取，根據(jù)隨機變量值的范圍控制粒子密度。     3  云的繪制     在繪制云內(nèi)的粒子時，由于粒子點很小，又很多，我們不能采用OpenGL提供的點或者三維型體來代表微小的粒子，因為系統(tǒng)性能無法承受，而且alpha混合的時候也不美觀。本文采用紋理映射和Billboard技術(shù)來實現(xiàn)云的繪制。     3.1  紋理映射     本文使用貼上紋理的小四邊形作為基本粒子，用小四邊形經(jīng)過紋理映射后代替點作為粒子，可以同時表現(xiàn)出粒子的

15、形狀、大小、透明度和顏色。而且根據(jù)場合和云精細(xì)程度的需要，一個面片可以代替一個粒子，也可以代替幾百個粒子，這樣，用稍微復(fù)雜的粒子可以減小粒子的數(shù)目而達(dá)到相同的效果，以提高性能。粒子紋理可以根據(jù)算法生成，也可以使用現(xiàn)有的圖像。     3.2  單個紋理的生成     單個紋理采用RGBA的形式描述。并且R=G=B=A，A為透明度，灰度值越大，透明度越小。由于球狀粒子的厚度從中心向邊緣遞減，可認(rèn)為代表它的紋理的灰度值也應(yīng)該滿足這一規(guī)律，同時要求連續(xù)過度，可用高斯分布模擬這一趨勢，其公式為:h(d)=   2

16、expd2   22，其中：d代表距離球心的長度;h(d)代表距離球心d處的紋理的灰度值;為高斯分布的方差，為了達(dá)到歸一化(即紋理數(shù)據(jù)只定義在-1.0,1.0×-1.0,1.0區(qū)間內(nèi))，將取為3；為中心峰值的調(diào)制值，調(diào)整的大小可以調(diào)整中心灰度的最大值；的取值范圍是0,2，根據(jù)仿真效果發(fā)現(xiàn)將峰值取為0.4較為合適，此時=。圖1為生成的32×32粒子紋理圖。    圖1  單個紋理圖像     3.3  Billboard技術(shù)     粒子在三維的空

17、間中運行，其位置分布也是三維的，但是由于通常的紋理映射技術(shù)都是二維的，所以當(dāng)云或者視點在場景當(dāng)中運動時，可能由于相互角度的關(guān)系而發(fā)生失真現(xiàn)象，當(dāng)視線平行于紋理映射平面時，甚至完全看不到云的存在。雖然某些OpenGL的實現(xiàn)提供了對于三維紋理的支持，可以解決這個問題，但是目前只有少數(shù)高檔圖形顯示卡對三維紋理映射提供硬件支持。本文使用Billboard技術(shù)，Billboard屬于一種視線跟蹤技術(shù)，也稱公告牌技術(shù)，它實質(zhì)上是一種始終朝著觀察者的物體。它通常是個多邊形，空間物體通過合適的算法，形成其二維紋理，通過紋理映射粘貼到這個多邊形上，從而從觀察者的角度看，就仿佛看到了真實的三維空間物體。在繪制粒子

18、時，主要針對變化的視錐，動態(tài)調(diào)整數(shù)據(jù)場中的每個粒子的法向量，使之正對視錐中線，從而保持一致的渲染效果。基本原理如圖1所示。由于目標(biāo)是使多邊形對最終的場景貢獻(xiàn)最大化，所以為了簡單起見，需要將視矢量(view vector)調(diào)整至與法向量(n)重合的位置，由于法向量最終要通過頂點坐標(biāo)體現(xiàn)出來，所以，只要計算出upleft，bottomleft，upright，bottomright這幾個單位向量。具體實現(xiàn)的步驟如下。     (1) v=(x，y，z)(eyex，eyey，eyez)；     (2) left=v×up； &#

19、160;   (3) 由于up不一定完全垂直于v，需要對其進(jìn)行修正up=v×left；     (4) upleft=left+up；     (5) bottomleft=leftup；     (6) upright=upleft；     (7) bottomright=upleft.     使用Billboard二維紋理映射進(jìn)行三維云模擬，方法簡單，計算量小，且效果很好。    

20、; 圖2  Billboard原理圖     3.4  一些細(xì)節(jié)     在粒子填充完以后，根據(jù)云圖可以進(jìn)一步調(diào)整云的效果。因為粒子的屬性直接影響到云的效果，粒子的大小直接關(guān)系到云的分辨率，當(dāng)視點較近時，粒子尺寸應(yīng)該較小，而當(dāng)視點較遠(yuǎn)時，粒子尺寸較大。粒子的密度直接影響到云的厚度和顏色，而顏色和透明度則間接反映了光照程度，因此通過調(diào)整粒子的密度和、顏色及透明度就可表現(xiàn)出光照的影響。在繪制過程中，可以通過隨機地控制與粒子有關(guān)的這些參數(shù)來增加真實感。為了更好地模擬云彩效果，我們還可控制云團(tuán)邊緣的半透明度比中心的半透明度

21、高，這樣，在云粒子集中的地方，會呈現(xiàn)出亮白色；還可采用色彩融和的技術(shù)，把云粒子本身的顏色和天空面的背景顏色很好地融和起來，在云粒子分散的地方，會略微呈現(xiàn)出天空的背景面，這樣就能得到較為真實的效果。     4  實驗結(jié)果     本系統(tǒng)實驗環(huán)境是在CPU PIII866，內(nèi)存256，顯卡Gforce2 32 M的個人計算機上，系統(tǒng)的三維顯示部分采用OpenGL函數(shù)實現(xiàn)。OpenGL本身與硬件及操作系統(tǒng)和窗口系統(tǒng)之類的底層軟件無關(guān)，并可以在系統(tǒng)間移植。所以我們利用OpenGL圖形庫在PC機上較容易實現(xiàn)了三維建模、紋理映射及融合

22、等功能，大大減輕了三維顯示部分編程工作的難度。     5  結(jié)語     本文提出的基于計算機視覺和粒子系統(tǒng)的云建模方法，可以在個人普通電腦上進(jìn)行快速的繪制，簡單實用。為了真實地模擬出各種氣候條件下云彩表現(xiàn)出的不同現(xiàn)象，如何模擬不同種類的云以及不同光照對它們的影響是以后研究的主要方向之一，而且，本文的模型是基于粒子系統(tǒng)的，因此云應(yīng)該是動態(tài)的，下一步的研究將結(jié)合粒子系統(tǒng)的特性進(jìn)一步研究云的動態(tài)特性。 【參考文獻(xiàn)】  1 Reeves T. Particle systemsa technique for modeli

23、ng a class of fuzzy objects J. ACM Transactions on Graphics, 1983, 2(2):91-108.2 Harris M J. Real-time cloud simulation and rendering D. Carolina：University of North Carolina，2003.3 Perlin K. An image synthesizer J. Computer Graphics, 1985, 19(3):287-296.4 Ebert D S. Volumetric modeling with implicit functions: A cloud is born A. Visual Proceedings of SIGGRAPH 1997 C. Los Angeles: ACM Press, 1997. 147.5 Yoshinori D, Kaneda K, Yamashita H, et al. A simple, e