基于深度采集设备的波浪重建方法和系统技术方案

本发明专利技术涉及一种基于深度采集设备的波浪重建方法和系统，包括：采集流体表面的原始深度数据以及RGB图像数据；根据该RGB图像数据中的梯度信息对该原始深度数据进行修复，得到完整深度数据；通过追踪该RGB图像数据，得到流体表面的高频速度场，同时根据该完整深度数据，提取流体表面的低频速度场，并通过融合该高频速度场和该低频速度场，建立波浪速度场；根据该波浪速度场，驱动该高度场运动，并通过计算下一帧高度场的信息，以实现连续运动的流体波浪重建。本发明专利技术联合物理模型与采集的多源真实数据，可更加真实且快速的还原流体表面及其细节信息。

【技术实现步骤摘要】
基于深度采集设备的波浪重建方法和系统
本专利技术涉及自然场景中的流体模拟领域，特别涉及一种基于深度采集设备的波浪重建方法和系统。
技术介绍
自然场景的真实感模拟，尤其是流体场景的模拟，一直是计算机图形学研究中一直存在的热点，在传统的影视特效、广告、三维游戏开发等领域，以及虚拟现实、增强现实等领域，都有着重要的应用及研究价值。然而，由于流体复杂而不规则的运动状态，其表现的形态也有丰富的变化。由于受到水下地形、地表障碍物、外部风力、波浪内部涡动等多种因素的影响，波浪在不同场景下其周期性以及形态产生剧烈变化；波浪形态随的表现为卷曲和分裂的碎浪，以及飞溅的水花，几何形状具有极强的不规则特性。因此，如何高效精确地对波浪进行建模是一个具有挑战性的课题。多年来在流体模拟上的研究，从简单的经验模型发展到复杂的流体动力学模型，以及数据驱动的流体模型方法，合成的水的真实感不断提高。早期对于波浪模拟的相关工作，将水面简化成高度场，根据长期观测得到的经验模型，以周期函数，噪声模型直接构造水表面的形态。为了加强流体真实感和模拟更加复杂的水面效果，基于物理的流体模拟方法成为流体建模的主流，主要根据流体控制方程在计算机中模拟流体的运动，该方法能够有效模拟流体的复杂运动。近年来，为了还原真实场景下的流体运动，数据驱动的流体模拟方法也逐渐兴起。基于实测数据的流体重建方法是使用摄像机、深度测量仪器等设备采集目标液体的各项数据，通过真实可靠的流体采集数据还原流体表面三维信息，重建得到的流体模型不仅符合流体真实的运动规律，同时回避了物理方程计算量大的问题，提高了系统整体的效率
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术目的在于提供一种基于深度采集设备的水面波浪重建方法和系统，以深度摄像头采集所得的水表面高度场为基础，融合RGB图像中提取速度信息，重建出细节丰富真实感较高的水面数据。使用深度摄像头采集流体表面深度图像以对应的彩色图像数据，基于此数据重建水面模型。具体地说，本专利技术公开了一种基于深度采集设备的波浪重建方法，其中包括：步骤1、使用深度采集设备获取流体表面的原始深度数据以及RGB图像数据；步骤2、根据该RGB图像数据中的梯度信息对该原始深度数据进行修复，得到完整深度数据；步骤3、通过追踪该RGB图像数据，得到流体表面的高频速度场，同时根据该完整深度数据，提取流体表面的低频速度场，并通过融合该高频速度场和该低频速度场，建立波浪速度场；步骤4、根据该波浪速度场，驱动该高度场运动，并通过计算下一帧高度场的信息，以实现连续运动的流体波浪重建。该基于深度采集设备的波浪重建方法，其中该步骤2包括：步骤21、将该RGB图像数据进行灰度化处理，得到灰度图；步骤22、以该灰度图为引导，对该原始深度数据中的高度场进行平滑去噪处理，得到具有该RGB图像数据中局部梯度信息的低噪深度数据；步骤23、针对该低噪深度数据中高度场的空洞区域，以该灰度图中的梯度信息为引导，恢复该空洞区域内的梯度信息，得到该完整深度数据。该基于深度采集设备的波浪重建方法，其中该RGB图像数据由多帧图像组成，且该步骤3包括：步骤31、在该RGB图像数据的第i帧图像内选择需追踪的目标区域，并通过相似性度量函数，在该RGB图像数据的第i+1帧图像内寻找与该目标区域最相似的子块，根据该子块和该目标区域在RGB图像中的位置信息，得到该高频速度场；步骤32、通过浅水波方程对该完整深度数据中的高度场进行拟合，得到该低频速度场；步骤33、将该高频速度场作为目标速度场，对该低频速度场进行修正，得到该波浪速度场。该基于深度采集设备的波浪重建方法，其中步骤1中该深度采集设备固定于该流体的正上方，并通过发射和接收红外线得到景深距离，并根据该景深距离获得该原始深度数据。该基于深度采集设备的波浪重建方法，其中步骤4中该高度场在浅水波方程的驱动下运动，高度场变化如下：h为该高度场，u,v分别为该波浪速度场在x轴方向与y轴方向的分量，t为时间分量。本专利技术还提供了一种基于深度采集设备的波浪重建系统，其中包括：采集模块，用于获取流体表面的原始深度数据以及RGB图像数据；数据修复模块，用于根据该RGB图像数据中的梯度信息对该原始深度数据进行修复，得到完整深度数据；速度场融合模块，用于通过追踪该RGB图像数据，得到流体表面的高频速度场，同时根据该完整深度数据，提取流体表面的低频速度场，并通过融合该高频速度场和该低频速度场，建立波浪速度场；波浪重建模块，用于根据该波浪速度场，驱动该高度场运动，并通过计算下一帧高度场的信息，以实现连续运动的流体波浪重建。该基于深度采集设备的波浪重建系统，其中该数据修复模块包括：步骤21、将该RGB图像数据进行灰度化处理，得到灰度图；步骤22、以该灰度图为引导，对该原始深度数据中的高度场进行平滑去噪处理，得到具有该RGB图像数据中局部梯度信息的低噪深度数据；步骤23、针对该低噪深度数据中高度场的空洞区域，以该灰度图中的梯度信息为引导，恢复该空洞区域内的梯度信息，得到该完整深度数据。该基于深度采集设备的波浪重建系统，其中该RGB图像数据由多帧图像组成，且该速度场融合模块包括：在该RGB图像数据的第i帧图像内选择需追踪的目标区域，并通过相似性度量函数，在该RGB图像数据的第i+1帧图像内寻找与该目标区域最相似的子块，根据该子块和该目标区域在RGB图像中的位置信息，得到该高频速度场；通过浅水波方程对该完整深度数据中的高度场进行拟合，得到该低频速度场；将该高频速度场作为目标速度场，对该低频速度场进行修正，得到该波浪速度场。该基于深度采集设备的波浪重建系统，其中采集模块中该深度采集设备固定于该流体的正上方，并通过发射和接收红外线得到景深距离，并根据该景深距离获得该原始深度数据。该基于深度采集设备的波浪重建系统，其中波浪重建模块中该高度场在浅水波方程的驱动下运动，高度场变化如下：h为该高度场，u,v分别为该波浪速度场在x轴方向与y轴方向的分量，t为时间分量。综上本专利技术相比于现有技术其技术进步在于：本专利技术的流体表面重建方法基于RGB数据和深度数据，并且涉及对水面深度数据场进行修复，可更加真实的还原流体表面及其细节信息。并且本专利技术联合物理模型与采集的多源真实数据，可快速生成高真实感丰富细节的波浪模型。附图说明图1为基于深度数据的波浪建模方法流程图。具体实施方式为了实现上述目的，本专利技术提供的水面重建方法包括以下步骤：步骤1，使用深度采集设备获取流体表面的深度数据以及对应RGB图像数据；步骤2，根据该RGB图像数据中的梯度信息对该原始深度数据进行修复，得到完整深度数据；步骤3，通过追踪该RGB图像数据，得到流体表面的高频速度场，同时根据该完整深度数据，提取流体表面的低频速度场，并通过融合该高频速度场和该低频速度场，建立波浪速度场；步骤4，根据该波浪速度场，驱动该高度场运动，并通过计算下一帧高度场的信息，以实现连续运动的流体波浪重建。所述步骤2包括以下子步骤：步骤21、将该RGB图像数据进行灰度化处理，得到灰度图；步骤22、以该灰度图为引导，对该原始深度数据中的高度场进行平滑去噪处理，得到具有该RGB图像数据中局部梯度信息的低噪深度数据；步骤23、针对该低噪深度数据中高度场的空洞区域，以该灰度图中的梯度信息为引导本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于深度采集设备的波浪重建方法，其特征在于，包括：步骤1、使用深度采集设备获取流体表面的原始深度数据以及RGB图像数据；步骤2、根据该RGB图像数据中的梯度信息对该原始深度数据进行修复，得到完整深度数据；步骤3、通过追踪该RGB图像数据，得到流体表面的高频速度场，同时根据该完整深度数据，提取流体表面的低频速度场，并通过融合该高频速度场和该低频速度场，建立波浪速度场；步骤4、根据该波浪速度场，驱动该高度场运动，并通过计算下一帧高度场的信息，以实现连续运动的流体波浪重建。

【技术特征摘要】
1.一种基于深度采集设备的波浪重建方法，其特征在于，包括：步骤1、使用深度采集设备获取流体表面的原始深度数据以及RGB图像数据；步骤2、根据该RGB图像数据中的梯度信息对该原始深度数据进行修复，得到完整深度数据；步骤3、通过追踪该RGB图像数据，得到流体表面的高频速度场，同时根据该完整深度数据，提取流体表面的低频速度场，并通过融合该高频速度场和该低频速度场，建立波浪速度场；步骤4、根据该波浪速度场，驱动该高度场运动，并通过计算下一帧高度场的信息，以实现连续运动的流体波浪重建。2.如权利要求1所述的基于深度采集设备的波浪重建方法，其特征在于，该步骤2包括：步骤21、将该RGB图像数据进行灰度化处理，得到灰度图；步骤22、以该灰度图为引导，对该原始深度数据中的高度场进行平滑去噪处理，得到具有该RGB图像数据中局部梯度信息的低噪深度数据；步骤23、针对该低噪深度数据中高度场的空洞区域，以该灰度图中的梯度信息为引导，恢复该空洞区域内的梯度信息，得到该完整深度数据。3.如权利要求1或2所述的基于深度采集设备的波浪重建方法，其特征在于，该RGB图像数据由多帧图像组成，且该步骤3包括：步骤31、在该RGB图像数据的第i帧图像内选择需追踪的目标区域，并通过相似性度量函数，在该RGB图像数据的第i+1帧图像内寻找与该目标区域最相似的子块，根据该子块和该目标区域在RGB图像中的位置信息，得到该高频速度场；步骤32、通过浅水波方程对该完整深度数据中的高度场进行拟合，得到该低频速度场；步骤33、将该高频速度场作为目标速度场，对该低频速度场进行修正，得到该波浪速度场。4.如权利要求1所述的基于深度采集设备的波浪重建方法，其特征在于，步骤1中该深度采集设备固定于该流体的正上方，并通过发射和接收红外线得到景深距离，并根据该景深距离获得该原始深度数据。5.如权利要求1所述的基于深度采集设备的波浪重建方法，其特征在于，步骤4中该高度场在浅水波方程的驱动下运动，高度场变化如下：h为该高度场，u,v分别为该波浪速度场在x轴方向与y轴方向的分量，t为时间分量。6.一种...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱登明，冯笑冰，王兆其，
申请(专利权)人：中国科学院计算技术研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11