基于Phong模型的视频流体光照计算方法

摘要

本发明公开了一种视频流体光照计算的方法，该方法旨在利用Phong模型，利用流体表面几何信息，快速计算Phong模型光照参数。首先，通过线性拟合的方法得到环境光及漫反射的成分。在此基础上，更新流体表面几何信息，进一步根据环境光成分、漫反射成分以及流体表面几何信息，通过聚类的手段，得到流体场景的镜面反射指数。最后根据流体表面的强度，计算得到流体场景的镜面反射成分。通过实验测试及误差分析，证明了本发明中所研究的方法很有效。本发明可有效地应用于流体的反向工程的研究及应用中，可以在重仿真中获得与样例流体外观一致的光照效果，克服了现有的流体光照计算中计算量大以及需要用户初始化等问题。

主权项

一种基于Phong模型的视频流体光照计算方法，其特征在于，对于视频流体采用RGB色彩模型，将流体视频的样例帧F中任意像素P的颜色分量表示为R、G和B，那么根据Phong模型有：$R=C_a^R+k_d^R(L_m·N)i_{m,d}^R+k_s^R{(R_m·V)}^{\alpha }{i}_{m,s}^R---\left(1\right)$$G=C_a^G+k_d^G(L_m·N)i_{m,d}^G+k_s^G{(R_m·V)}^{\alpha }{i}_{m,s}^G---\left(2\right)$$B=C_a^B+k_d^B(L_m·N)i_{m,d}^B+k_s^B{(R_m·V)}^{\alpha }{i}_{m,s}^B---\left(3\right)$其中，和是环境光在RGB三个通道的分量，称和为环境光成分；和是漫反射率,和分别是漫反射在RGB三个通道的强度；记为记为记为并称和为漫反射成分；L_m是场景中任意一点到光源方向的单位法向量，N是流体表面任意一点的单位法向量,V是视线方向的单位向量,L_m与V之间角平分线方向为E,R_m是流体表面任意一点反射光方向的单位向量，V是视线方向的单位向量.根据V与R_m之间的夹角是N与E间夹角的两倍,利用计算公式(1)到(3)中L_m与N的点积L_m·N；和是镜面反射率，和分别是镜面反射在RGB三个通道的光强；α是镜面反射指数；记为记为记为称和为镜面反射成分；利用像素P的高度h_P代替公式(1)至(3)中R_m和V点积R_m·V，那么，由(1)到(3)得：$R=C_a^R+(2h_p^2-1)C_d^R+C_s^R{h}_P^{\alpha }---\left(4\right)$$G=C_a^G+(2h_p^2-1)C_d^G+C_s^G{h}_P^{\alpha }---\left(5\right)$$B=C_a^B+(2h_p^2-1)C_d^B+C_s^B{h}_P^{\alpha }---\left(6\right)$利用以下步骤有效计算流体场景的光照参数：(1)、计算Phong光照模型的环境光成分及漫反射成分,具体地：(a)利用流体视频样例帧F中的所有满足(7)式的像素构造集合L；D_p≤T_L       (7)D_p是像素P的强度，D_p计算为：D_p＝0.299*R+0.587*G+0.114*B                      (8)式(7)中T_L是强度阈值，其计算为T_L＝(D_max‑D_min)*2/9+D_min,D_max和D_min分别是F中所有像素强度的最大值和最小值；(b)利用集合L,计算流体场景的环境光及漫反射成分，具体地：对于L中任意一个像素Q，根据公式(4)到(6)可得：$C_a^R+(2h_Q^2-1)C_d^R-I_Q^R=0---\left(9\right)$$C_a^G+(2h_Q^2-1)C_d^G-I_Q^G=0---\left(10\right)$$C_a^B+(2h_Q^2-1)C_d^B-I_Q^B=0---\left(11\right)$其中，和是Q在RGB三个通道的强度分量；计算流体表面高度h_Q,并利用L中的所有像素的信息，对于(9)、(10)和(11)中环境光成分和以及漫反射成分和采用线性拟合方法求解；(2)、更新流体表面高度信息将步骤(1)中得到的R通道的环境光成分及漫反射成分代入公式(9)，重新计算每个粒子高度h_Q，将h_Q记为h_R；将G通道的环境光成分及漫反射成分代入公式(10)，重新计算每个粒子高度h_Q，将h_Q记为h_G；将B通道的环境光成分及漫反射成分代入公式(11)，重新计算每个粒子高度h_Q，将h_Q记为h_B；最后，粒子的高度信息更新为h_n＝(h_R+h_G+h_B)/3；(3)、镜面反射指数及镜面反射成分计算(a)利用F中的所有满足(12)式的像素构造集合H；D_p≥T_H                             (12)T_H是强度阈值，计算为T_H＝(D_max‑D_min)*8/9+D_min；(b)利用H计算镜面反射指数及镜面反射成分对于H中任两个像素P₁和P₂，如果P₁的颜色为R₁、G₁和B₁，P₂的颜色为R₂、G₂和B₂，P₁的高度假设为h₁，P₂的高度假设为h₂；根据Phong光照模型：$C_s^R{h}_1^{\alpha }=R_1-C_a^R-C_d^R(2h_1^2-1)---\left(13\right)$$C_s^R{h}_2^{\alpha }=R_2-C_a^R-C_d^R(2h_2^2-1)---\left(14\right)$$C_s^G{h}_1^{\alpha }=G_1-C_a^G-C_d^G(2h_1^2-1)---\left(15\right)$$C_s^G{h}_2^{\alpha }=G_2-C_a^G-C_d^G(2h_2^2-1)---\left(16\right)$$C_s^B{h}_1^{\alpha }=B_1-C_a^B-C_d^B(2h_1^2-1)---\left(17\right)$$C_s^B{h}_2^{\alpha }=B_2-C_a^B-C_d^B(2h_2^2-1)---\left(18\right)$由式(13)和(14)能够从R通道得到镜面反射指数的结果α_R：${\alpha }_R=\frac{\lg (f_1/f_2)}{\lg (h_1/h_2)}---\left(19\right)$其中利用H中任意一对像素计算能够得到一个R通道的镜面反射指数；取N_R对像素，然后利用(13)、(14)及(19)，得到N_R个R通道的计算结果并构成集合N_R是自然数，1000≤N_R≤5000；采用k‑means方法进行聚类得到R通道的镜面反射指数具体地，对于任意一对S_R中任意两个元素和如果满足：$|{\alpha }_R^U-{\alpha }_R^V|<T_R^{\alpha }---\left(20\right)$那么和被聚为同一类；和是集合中的两个不同的元素，U和V是序号，并且满足0≤U≤N_R‑1，0≤V≤N_R‑1，同时U≠V；为镜面反射指数之间差异的阈值；最后，将聚得样本最多的类中所有镜面反射指数的均值作为c表示聚类；同样道理，能够得到G通道和B通道的镜面反射指数和在计算三个通道镜面反射指数和时，镜面反射指数之间差异的阈值为一个设定值，设为0.1；最后,镜面反射指数计算为：$\alpha =({\alpha }_R^C+{\alpha }_G^C+{\alpha }_B^C)/3---\left(21\right)$对于F中任意像素P，按照以下方法计算镜面反射成分和由公式(4)、(5)和(6)得：$C_s^R=(R-C_a^R-(2h_p^2-1\left)C_d^R\right)/h_P^{\alpha }---\left(22\right)$$C_s^G=(G-C_a^G-(2h_p^2-1\left)C_d^G\right)/h_P^{\alpha }---\left(23\right)$$C_s^B=(B-C_a^B-(2h_p^2-1\left)C_d^B\right)/h_P^{\alpha }---\left(24\right)$对所有像素计算的R通道镜面反射成分的平均值作为的结果，类似的，能够得到G通道镜面反射成分的结果以及B通道中镜面反射成分的结果