可视媒体中的流体运动分析与合成问题研究

摘要

可视媒体中流体图像分析和视频合成是目前计算机视觉领域中的难点,在数字娱乐和气象预测领域都有很广阔的应用前景。人们不仅需要形象的真实感,也需要运动的真实感。而真实运动的复杂度往往使得人们难以用一些过程来表述,这个时候只有借助于真实世界的物理规律才能得以体现。真实的背后就是物理,物理描述了物体如何运动以及它们之间如何相互影响。然而,一方面,这个世界的有些物理规律本身很复杂,对于现象的物理描述并不是很好,这些对应的学科发展也尚不成熟,因此也很难建立一个完善的物理模型；另一方面,即使存在一个模型可供利用,但由于计算的复杂度导致直接应用的困难。
　　 在计算机视觉领域,计算的快速性比计算精度重要,小的计算代价可以让人们方便预览可能的效果,从而进行快速调整生成画面,而不用强调对问题本身过于精确的求解。还有就是对控制的加强,必须为动画师提供一个良好的控制策略,这样通过简单交互就可以设计并实现想要的艺术效果。
　　 所有现有的图像或者动画编辑以及合成方法很难满足场景多样化的需求。本论文将针对可视媒体的特点,以流体力学理论为基础,解决视频或者动画场景多样、灵活变化的问题,并给出高效算法,以满足应用的要求。全文的主要工作如下:
　　 1)以流体力学理论为基础,对各种基本形态和基本流体如水流和烟雾等进行理论建模来表示基本形态演化,包括完成可视媒体中基本形变数学模型的构建和表达。应用流体力学的基本理论,对各种基本形态如平移、发散、收敛、涡旋等进行理论建模,生成了可视媒体中各基本变形运动,并运用N-S模型生成基本的流体运动。
　　 2)在基本数学模型构建的基础上,合成复杂变形运动,通过模式设定,使复杂变形在可视媒体中加以动态表达,使场景内容更加多样化。运用图象处理中的抠图技术进行视频图像的层化分割,并利用补绘技术对背景图象进行了补绘,进行图像的前期处理和背景生成。
　　 3)以包含流体的静止图像为研究埘象,在进行前期的图像处理后,通过针孔模型和消隐点消隐线等计算机视觉投影方法将流体三维模型投影到静止的流体图像中,生成连续流畅的流体运动视频。给出动态场景的无缝融合算法,使得可视媒体中事件与场景之间和谐变化。通过对模型参数的调节可以使场景内容更加多样化；通过对基本形态的调制可以实现丰富变化的场景。
　　 4)在视频流体分析方面,通过学习流体自然场景,进行加工调节生成运动更连续变化更丰富的视频,另外,我们通过对输入视频纹理的分析和合成,生成新的流体运动。

目录

文摘

英文文摘

上海交通大学学位论文答辩决议书

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.1.1 可视媒体流体运动分析合成

1.1.2 可视媒体流体分析合成的研究和应用现状

1.2 问题的提出

1.3 研究价值

1.4 本论文的研究工作

1.5 论文结构安排

第二章 可视媒体流体分析合成中的相关基本知识

2.1 计算流体力学相关知识

2.1.1 流体运动学

2.1.2 流体动力学

2.1.3 Navier-Stokes方程的求解

2.2 三维视觉相关知识

2.2.1 平面方程

2.2.2 齐次坐标

2.2.3 伞局坐标系和局部坐标系

2.2.4 针孔模型和透视投影

2.2.5 透视投影的各种线性近似

2.3 本章小结

第三章 可视媒体中的三维流体建模

3.1 适用于计算机视觉的基本三维流体模型

3.1.1 稳定的Navier-Stokes方程求解

3.1.2 解法过程描述

3.2 基本三维运动模式建模

3.2.1 基本运动形态建模

3.2.2 三维基本运动几何表示

3.2.3 基本三维模型的模拟

3.3 水波模型的建立

3.3.1 波浪理论中的基本概念

3.3.2 基于观察经验的海浪统计模型

3.3.3 基于海浪频谱的改进模型

3.4 本章小结

第四章 可视媒体流体分析合成中的图像预处理

4.1 用于流体图像的预处理技术

4.2 流体图像的抠图处理

4.2.1 引言

4.2.2 图像抠图技术

4.2.3 用于流体图像分析合成的抠图技术

4.3 流体图像的补绘处理

4.3.1 引言

4.3.2 用于流体图像分析合成的补绘技术

4.4.本章小结

第五章 可视媒体中流体视频的分析合成

5.1 基于流体视频的分析合成

5.1.1 引言

5.1.2 视频合成方法

5.2 流体视频的编辑

5.2.1 合成流线对应区域

5.2.2 交叠区域的像素值确定

5.2.3 具体的设计方案

5.3 本章小结

第六章 基于静止图像的可视媒体流体分析与合成

6.1 引言

6.2 三维流体模型向二维图像的投影

6.2.1 针孔模型

6.2.2 消隐点和消隐线

6.3 通过基本三维模型分析合成流体视频

6.3.1 水波图片的编辑合成

6.3.2 烟雾图片的编辑合成

6.4 通过基本三维运动模式分析合成流体视频

6.4.1 三维基本模型投影到二维图像产生视频

6.4.2 视频合成系统

6.4.3 视频合成过程

6.5 本章小结

第七章 总结与展望

参考文献

攻读博十学位期问完成论文、发明专利

致谢

附录一 :课题来源