● 摘要
对各种水现象进行模拟和仿真一直是虚拟现实领域中的一个困难而又富有吸引力的问题， 传统的水建模研究工作主要是采用基于物理模拟的方法，近年来出现了基于真实采集数据进行水建模的方法，与传统方法相比，它简化了复杂的模型推导和数值计算过程，能更好的保存细节，真实度也更高，因此逐渐成为了新的研究热点。本文在国家自然科学基金项目“动态参与介质建模技术研究(61272348)”和北京市自然科学基金项目“物体表面复杂材质反射属性建模技术研究 (4102037)”资助下，研究基于采集数据的方法来对动态水面进行建模，并取得了以下研究成果：(1) 设计并搭建了多相机采集系统 BH_WSCapture 采集水面数据，该系统包括硬件和软件两部分：硬件组成主要有可同步的高速相机、高速数据存储设备、光源以及符合水介质的光学特征以及成像特点的模式板；软件主要包括相机同步软件、采集控制软件和相机标定软件等。通过该系统可以采集得到包含水面特征的图像数据，并能对原始数据按需求进行预处理；(2) 提出了一种水面特征提取算法；水面特征提取算法以真实采集得到的图像数据作为输入，能够识别、追踪水面特征点并提取其共性与差异，根据不同介质的光学传播特性以及采集结果中单帧图像内和图像序列间的连续性，进行水面类型判断，特征点检测和未知特征点修复；(3) 提出了一种基于立体折射原理的水面建模算法；通过采集所得图像序列中每幅图像中的特征点，进行特征匹配并建立图像空间中像素特征点与物理空间中三维点的映射关系，结合水介质的光学折射特性来迭代求解水面上的三维点阵；在进行连续帧建模时，利用时间相关性，使用前继帧结果来初始化后继帧的计算参数，从而提高迭代求解速度；(4) 设计并实现了水面数据采集与建模工具；使用该工具可以对采集所得数据进行预处理，根据本文设计的算法进行水面建模，绘制及展示建模结果，并具有一定交互功能，允许用户进行视点变化、展示方式切换等。