题目：物理温度约束的真实感火焰重建技术研究

火焰是自然现象中变化最为丰富生动的体现之一，也是虚拟环境的重要组成部分，是影响人对虚拟环境交互体验和应用效果的关键内容之一。在虚拟现实领域，对火焰的模拟再现一直是一个重要的基础研究目标。火焰密度稀疏、介质内部粒子分布不均匀、光线传播过程复杂，还具有自发光特性，不利于传感器采集，使得具有物理属性验证性的火焰模拟一直进展不大。

基于图像的火焰重建从对真实火焰的数据采样出发，在重建火焰几何属性的同时，可以捕获火焰的温度、密度、辐照度等物理属性，使虚拟对象具有可对比的数据基础。但这类方法具有数据采集手段有限、重建速度较慢、重建结果可编辑性差等不足，限制了要求一定物理可信度的应用发展。论文以温度这一火焰重要物理参数为研究对象，对具有物理温度约束的真实感火焰重建技术进行研究，主要工作包括4个部分。

（1）高动态范围成像的火焰温度场重建方法。针对普通工业相机采集火焰图像时动态范围不足的问题，提出一种高动态范围成像的火焰温度场三维重建方法，并分别在单色和双色测温方法上进行实现。采用高动态范围相机获取火焰多视角图像，建立二维像素辐照度与三维体素辐射力之间的关系，多视角层析重建三维辐射力场，以可视外壳约束解空间计算每个体素的辐射力值，基于重建得到的三维辐射力场，用单色和双色法计算三维温度场分布。对实验室尺度酒精燃烧场景进行实验，验证高动态范围成像的温度场重建方法的可靠性。

（2）色温映射约束的三维火焰重建方法。彩色图像进行三维火焰重建时存在颜色失真问题，根据火焰颜色和温度具有一一对应关系，提出一种具有色温映射约束的三维火焰重建方法。利用最近点搜索方法计算火焰的色温映射，将RGB亮度值转换为色温和联合亮度的表示，避免重建结果出现色差问题。利用可视外壳约束乘法重建结果，使能量分布更加合理，实现三维火焰的快速重建。对蜡烛、酒精和混合物燃烧场景进行实验，验证色温映射约束重建方法的有效性。

（3）温度约束的动态火焰纹理合成方法。火焰高频细节采集和模拟困难，提出一种温度约束的动态火焰纹理合成方法来模拟火焰细节特征。基于双色测温原理，建立火焰颜色与温度之间的映射，统计拟合温度与联合亮度函数，压缩模型数据从RGB三维到温度一维，利用温度进行动态火焰的建模、学习、合成、外插和编辑，得到颜色一致的动态火焰模拟结果，并支持基于温度场的直接编辑。在3个不同火焰场景数据集上，对动态火焰的合成和编辑进行验证。

（4）目标温度驱动的动态火焰模拟方法。重建得到的三维火焰难以直接编辑，提出一种目标温度驱动的动态火焰模拟方法来支持火焰编辑。将多样的目标描述统一为温度场表示，计算自适应控制力实现对目标驱动变化速度的控制，双向迭代逼近生成平滑变化的中间目标帧序列，将一个全局目标细化为多个局部目标的组合，多级目标驱动实现火焰的可控模拟。对用户输入的几何、图像、温度场目标进行实验，验证目标温度驱动方法的有效性。

论文围绕真实感火焰重建技术，在高动态成像的温度场重建、色温映射的火焰重建、基于温度的动态火焰合成和目标温度驱动的动态火焰模拟等方面进行深入研究，主要技术可以进一步应用于影视特效、游戏物理引擎、灾害仿真等领域的火焰模拟中，使模拟结果具有更高的视觉真实感和物理真实性。