CN101996418A - 一种带有温度信息的火焰采样装置和模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带有温度信息的火焰采样装置和模拟方法，属于虚拟现实技术领域。本采样装置由多个捕获组件在水平方向同时从不同角度拍摄火焰，每个捕获组件由一个半透半反镜，一个高速相机和一个红外相机组成，将高速相机和红外相机分别置于半透半反镜的反射面与透射面用于采集火焰的图像。通过将红外相机获得的火焰的光谱信息进行傅里叶变换重建火焰的温度场，并通过高速相机采集的图像对火焰进行基于图像的三维建模，从而得到具有温度信息的火焰模型。
Description
技术领域
本发明涉及真实火焰的采样装置及火焰的模拟方法，属于虚拟现实技术领域。
背景技术
随着计算机图形学技术的飞速发展，火焰燃烧越来越多地出现在计算机动画、影视制作和媒体广告等场景之中。在对战场进行模拟的时候，火焰的模拟也是必不可少的。火焰同其他无规则的物体如：云、烟、雾一样，具有实时的多变性和无规则性。它们的外观形状极不规则、没有光滑的表面，这使得经典的欧几里得几何学对其描述显得无能为力。同时，火焰在燃烧的过程中，要受到内外各种因素的影响，再加上火焰燃烧的形态非常丰富，不同的燃料在不同的情况下表现出巨大的差异，就更加向人们提出严峻的考验。正因如此，在计算机上生成具有真实感的火焰，一直都是计算机图形学的最具挑战性的工作之一。
现有的火焰采样装置通常只针对某一特定属性进行采样，即根据不同的需求应用主要对火焰的形态、燃烧的化学变化或者辐射光谱等某一属性进行采样，而在虚拟现实技术领域中，需要的是具有真实可信度的火焰的综合物理属性的数据。在这方面，现有的火焰采样装置或者过于复杂和昂贵，或者由于针对的应用不同，无法满足火焰的多属性采样。
现有的火焰模拟方法主要可以分为三种：粒子系统方法、数学物理方法和纹理技术方法，三者都是从计算机图形学的角度出发，尽可能的满足火焰模型视觉上的效果，但是却忽视了其真实性和其它的一些物理属性，例如温度。结果是，大部分火焰的模拟都是只得其形，而抛弃了真实的数据，缺乏可信度。
对于虚拟现实技术领域，尤其是当今军事仿真、消防仿真等需求的日益增长，具有真实数据驱动、包含尽可能多的物理属性的火焰模拟将有着广阔的前景，而其中通过真实采样而进行的火焰模拟将扮演非常重要的角色。
发明内容
本发明的目的是解决建立真实可信并带有温度信息的火焰模型的问题，提出一种利用集成了高速相机、红外相机和半透半反镜的采样装置来获得火焰的形态和温度的方法，并通过使用半透半反镜解决高速相机和红外相机的同步问题，最终利用真实采样数据来建立带有温度属性的火焰三维模型。
为完成本发明的目的，本发明采用的技术方案是：一种带有温度信息的火焰采样装置，包括：半透半反镜、高速相机、红外相机；由火焰发出来的光，经过半透半反镜，一半为透射光线，由红外相机捕捉，一半为反射光线，由高速相机捕捉；利用红外相机捕获的信息构建火焰的温度场；利用高速相机捕获的信息对火焰进行可视化建模，再将构建的温度场加入火焰的三维模型中，输出带有温度信息的火焰模型。
所述的捕获装置与火焰都在同一水平面上，并且与火焰的距离完全一致。
所述的捕获装置分别从不同的视角捕获火焰，视角均匀的分布在火焰周围。
所述的捕获装置中的半透半反镜需要与水平方向成45°角，从而将入射光平分为垂直方向的反射光与水平方向的透射光。
所述的红外相机置于半透半反镜透射面，高速相机置于半透半反镜的反射面。
所述的红外相机和高速相机需要与半透半反镜距离完全一致，以实现二者的同步捕获。
所述的带有温度信息的火焰采样装置和模拟方法，其特征在于：一种带有温度信息的火焰采样和模拟方法，包括以下步骤：
(1)采样前先调整好每组捕获组件，调整半透半反镜至与水平方向呈45°，再调整高速相机对准透射面、红外相机对准反射面，并使得两个相机与半透半反镜中心的距离完全一致，以便使两个相机捕获到火焰的信息在时间上同步；
(2)将两组或多组步骤(1)中配置好的捕获组件均匀的放置于待采样火焰的周围，所有的捕获装置都与火焰在同一个水平面，并调整捕获组件之间的角度与距离，使捕获组件之间角度、以及捕获组件与待采样火焰之间的距离相等；
(3)启动步骤(2)所述的捕获组件，对火焰进行采样，获得火焰的可视化信息和光谱信息；
(4)利用步骤(3)中获得的火焰的光谱信息，通过对其进行傅里叶变换，从中得到火焰的温度信息，从而获得火焰的温度场；
(5)利用步骤(3)中所得的火焰可视化图像信息，对火焰进行基于图像的三维建模，得到火焰的三维模型。
(6)将步骤(4)得到的火焰温度场加入步骤(5)得到的火焰三维模型，从而得到带有温度信息的火焰三维模型。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明装置元件要求低，价格便宜，容易购买。
(2)本发明中火焰模拟基于真实火焰采样，其真实可信度高。
(3)本发明加入了火焰的温度属性，能更好的应用于各项仿真。。
(4)利用半透半反镜来实现两个相机在同一视角同时拍摄的问题。
附图说明
图1为本发明的带有温度信息的火焰采样装置的捕获组件结构图；
图2为本发明的带有温度信息的火焰采样场景图；
图3为本发明的带有温度信息的火焰采样和模拟方法流程图。
具体实施方式
以下，参照附图，对本发明的具体状态作说明，但是本发明不限于图示例。
如图1所示，本发明中所述捕获组件包括：一个半透半反镜，一个高速相机，一个红外相机。由火焰发出来的光，经过半透半反镜，一半为透射光，由红外相机捕捉，一半为反射光，由高速相机捕捉；利用红外相机捕获的光谱信息进行傅里叶变换得到火焰的温度场；利用高速相机捕获的可视化信息对火焰进行基于图像的可视化建模；再将得到的温度场加入火焰的三维模型中，输出带有温度信息的火焰三维模型。
在上述带有温度信息的火焰采样装置中，半透半反镜，又称分光镜，是一种光学玻璃。当入射光与镜面呈45°角照射时，光束会被分为两束，一束为透射光，另一束为反射光，两束光完全一样。通过利用半透半反镜的这种特性来实现两部相机同时在同一视角对火焰进行捕获。
所述的捕获组件的数量可以根据所需的精度要求和经济状况来决定，捕获组件越多，火焰模型的精度越高，但是计算机复杂度会增加，最少需要两个捕获组件。
所述的捕获组件中高速相机和红外相机与半透半反镜的距离要完全一致。
所述的捕获组件与火焰的距离，以及捕获组件之间的角度都需要保持一致。
所述的带有温度信息的火焰采样方法中，如图3所示，在按照图1配置好捕获组件之后，再按照图2布置好捕获组件的位置，然后开始采集火焰信息；由红外相机采集到火焰的光谱图像信息，高速相机采集火焰的可见光图像信息；将红外相机采集到的火焰的光谱信息进行傅里叶变换，转换为火焰的温度信息，从而得到火焰的温度场；利用高速相机采集的火焰的可见光图像信息进行基于图像的可视化建模，从而得到火焰的三维模拟；最后将得到的火焰的温度场加入火焰的三维模型中，从而得到带有温度信息的火焰三维模型。
所述的基于图像的火焰可视化建模方法中，首先利用不同视角的图像(最少需要两个不同的视角)，通过分析图像连续空间来重构火焰，使用高斯公式的线性叠加对火焰进行参数化，根据输入火焰的图像来估计火焰的密度，并使用随机重采样的方式对火焰重构结果进行修正，并且利用基于图像的渲染方法来渲染重构结果。
本发明未详细阐述的部分属于本领域的技术人员公知技术。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种带有温度信息的火焰采样装置和模拟方法，采样装置由多个捕获组件组成，每个捕获组件由一个半透半反镜，一个高速相机和一个红外相机组成，能同时捕获火焰的可见光与红外光，其特征在于包括：
(1)设计一种能同时捕获火焰的可见光与红外光的组件；
(2)两个或多个捕获组件组成捕获装置，在同一水平面上从不同的视角同时对火焰进行采样；
(3)通过对火焰进行采样，对从红外相机所获得的火焰的红外光谱进行傅里叶变换获得火焰的温度信息，重建火焰的温度场；
(4)通过对火焰进行采样，对从高速相机所获得的火焰的可见光图像信息对火焰进行可视化建模，得到火焰的三维模型；
(5)合成火焰的温度场与可视化模型，得到带有温度信息的火焰三维模型。
2.根据权利要求1中的方法，其特征在于：所述的能同时捕获火焰的可见光与红外光的组件由一个半透半反镜、一个高速相机、一个红外相机组成，半透半反镜与水平方向成45°角，并且与火焰的位置处在同一水平面上，从而将入射光平分为反射光与透射光；红外相机和高速相机需要与半透半反镜距离完全一致，从而使得红外相机和高速相机获得的图像同步。
3.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于：步骤(2)中用多个捕获组件同时从不同的视角捕获火焰，其捕获组件不少于两个，捕获组件放置于待采样火焰的周围，所有的捕获组件都与火焰在同一个水平面，并调整捕获组件之间的角度与距离，使捕获组件之间角度、以及捕获组件与待采样火焰之间的距离相等；对火焰进行采样，获得火焰的可视化信息和红外光谱信息。
4.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于：步骤(3)中把火焰的体积近似看作气体，利用分子转振光谱测温法，对获取的光谱进行傅里叶变换，计算出火焰的温度场。
5.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于：步骤(4)中通过分析图像连续空间来重构火焰，使用高斯公式的线性叠加对火焰进行参数化，根据输入火焰的图像来估计火焰的密度，并使用随机重采样的方式对火焰重构结果进行修正，利用基于图像的渲染方法来渲染重构结果。
6.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于：步骤(5)中通过将温度场合成到火焰的可视化模型中，得到具有温度信息的火焰三维模型。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
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Granted publication date: 20120208 Termination date: 20140908 |
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| EXPY | Termination of patent right or utility model |