一种视频流体高度的计算方法

摘要

本发明公开了一种视频流体高度的计算方法，该方法首先根据流体运动特征，对流体的运动矢量进行初始化；根据运动矢量的结果，利用LBM计算流体粒子的高度；再对高度进行去噪和平滑处理；然后，根据流体运动的连续性，利用LBM递推连续多帧的高度结果，得到具有流体物理运动特性的高度计算结果；再利用流体粒子分布函数线性插值的方法，得到连续运动流体的均匀变化的高度结果；最后，采用中间帧对流体高度进行校正。本发明具有简单、方便、快速的特点，利用本发明可得到连续变化的流体高度场，并且产生实时的高度结果，能够应用于自然景观虚拟场景的构建，并且可有效地实现虚拟场景中的流体运动实时交互，克服基于视觉方法中重建的实时性差的问题，具有一定的应用价值。

主权项

一种视频流体高度的计算方法，其特征在于该方法利用流体运动矢量的计算结果，根据粒子运动时的相互作用，计算得到流体粒子的分布函数，再根据分布函数，计算得到流体运动的高度，具体包括以下步骤：(1)流体运动矢量的计算；(2)运动矢量和LBM(Lattice Boltzmann Method)相结合的高度计算；(3)对高度计算结果的去噪和平滑；(4)利用LBM递推流体的高度；(5)高度校正；其中：所述流体运动矢量的计算：利用连续两帧图像，采用区域相关运算方式对流体运动矢量进行初始化；再运用所定义的运动矢量的特征向量，对初始化的结果进行聚类，并统计各类别的规模，保留主要类别，最后用主要类别中的流体运动矢量的结果进行线性插值，得到运动矢量计算结果；其中，用于聚类的特征向量定义为：vector＝[x,y,u,v,sigu,sigv]     (1)(x,y)为流体粒子所在的位置，u和v分别表示该粒子的运动矢量沿x方向和沿y方向的分量，sigu和sigv分别表示u和v的符号，如果为正取1，如果为负取‑1，否则取0；具体计算包括：1)利用连续两帧图像，采用区域相关运算对流体运动矢量进行初始化；2)利用运动矢量的特征向量vector＝[x,y,u,v,sigu,sigv]进行聚类，具体地，如果粒子P_i和P_j的运动矢量的特征向量分别为：vector_i＝[x_pi,y_pi,u_pi,v_pi,sigu_pi,sigv_pi]及vector_j＝[x_pj,y_pj,u_pj,v_pj,sigu_pj,sigv_pj]，并且，它们同时满足式(2)至(5)，则认为粒子P_i和P_j的运动具有相似性，并将它们聚到相同的类别之中；$\left|\sqrt{{(x_{\mathrm{pi}}-x_{\mathrm{pj}})}^2+{(y_{\mathrm{pi}}-y_{\mathrm{pj}})}^2}\right|<{\mathrm{threshold}}_{\mathrm{dis}}---\left(2\right)$$\left|\sqrt{\mathrm{angle}({\mathrm{vec}}_{\mathrm{pi}},{\mathrm{vec}}_{\mathrm{pj}})}\right|<{\mathrm{threshold}}_{\mathrm{angle}}---\left(3\right)$sigu_pi*sigu_pj≥0      (4)sigv_pi*sigv_pj≥0     (5)其中，threshold_dis表示粒子P_i和P_j之间距离的阈值；vec_pi和vec_pj分别表示粒子P_i和P_j的运动矢量(u_pi,v_pi)及(u_pj,v_pj)；threshold_angle表示它们运动矢量方向的阈值；3)统计各类别的规模，对于聚类结果中规模较大的类别，保留其结果；设任意一个类D，它的类内粒子数为D_num，即该类的规模为D_num，如果其满足式(6)则认为类内粒子运动矢量是较为准确的，并将这些粒子的flag值置为1；否则，对于粒子的flag值置为0；D_num>threshold_D            (6)其中，threshold_D是粒子数目的阈值；4)对于任意一个flag值为1的粒子P_m，在其周围的区域中选取一个与之最近且flag值为1的粒子P_n,对这两个粒子连线上的所有flag值为0的粒子采用线性插值的方法，得到它们的运动矢量结果；所述运动矢量和LBM相结合的高度计算包括：a)假设任意一个尚未计算高度的粒子S(x,y)，其周围粒子为T_i(x,y)(i＝1,...,8)，它们对应的运动矢量为(u_i,v_i)，粒子T_i(x,y)对粒子S(x,y)作用力的标准方向为F_i，设标准方向F_i与水平向量Hor(u_i,0)的夹角为θ₁，F_i与垂直向量Ver(0,v_i)的夹角为θ₂，用下式计算粒子S(x,y)的分布函数f_i(x,y,t)：b)利用下式计算粒子S(x,y)在三维空间中的高度h(r,t)$h(r,t)=\underset{i=0}{\overset{d}{\Sigma }}{f}_i(r,t)$其中，h(r,t)为t时刻位于r处的粒子高度；d表示周围粒子个数；f_i(r,t)表示t时刻位于r处的粒子分布函数；c)判断是否所有粒子的高度已经计算，如果是，转步骤d)，否则，转步骤a)；d)计算结束。