CN117274465A - 匹配真实地理水域环境的水体渲染方法、系统、介质和设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及3D图形渲染技术领域，公开一种匹配真实地理水域环境的水体渲染方法、系统、介质和设备，包括：获取目标水面的多时相的遥感影像和对应水域范围的矢量数据，结合矢量数据对遥感影像进行掩膜处理和波段合成得到真彩色的遥感图像；从遥感图像中提取水面色彩信息和水面波纹信息并构建水波颜色贴图和水波法线贴图，根据矢量数据构建目标水面的三维模型，结合多时相的所述遥感影像对应的水波颜色贴图、水波法线贴图，叠加周期重复性扰动对所述三维模型进行动态实时渲染，实现目标水面的动态水波和真实颜色渲染效果。本发明可以准确模拟真实水波和色彩，提高与现实地理位置水体的相似度、动态水波渲染的真实性和计算效率。
Description
技术领域
本发明涉及3D图形渲染技术领域，尤其是指一种匹配真实地理水域环境的水体渲染方法、系统、介质和设备。
背景技术
水面模拟技术一直是计算机图形学以及计算机仿真研究领域最具挑战的问题之一。其中，水波涟漪仿真渲染技术是对水体表面的涟漪进行仿真渲染的技术，可以提供真实精确的水面模拟结果，因此不仅在数字孪生应用、虚拟现实应用、军事仿真、三维游戏动画、影视工业等领域具有极高的应用价值，还在气象预报、现代水力学、流体力学、海洋水利等工程方面发挥着重要作用。但是，因自然环境的复杂性、流体过程的多样性，如何提高水波涟漪仿真渲染技术的渲染效果和精确度是面向数字孪生的计算机图形学中的技术难点。
现有技术中，水波涟漪仿真渲染技术主要分为三大类，分别是基于波形分析的建模方法、基于粒子系统的分析方法和基于物理模型的分析方法。基于波形分析的模拟方法大多采用构造参数曲面来表示，通常使用正余弦函数进行模拟表达，但是该类方法难以模拟水体随时间变化的水波叠加形态变化。基于粒子系统的分析方法通常将水抽象成若干粒子的集合，使用粒子运动抽象水体整体运动形态，但是该类方法采用线性离散模拟而难以模拟水面真实的连续水波运动。基于物理模型的分析方法结合科学数值计算与计算机图形学方法，能够模拟出真实的水波效果，通常使用流体力学方程纳维叶-斯托克斯（NavierStokes，N-S）方程来建立模型；但是，由于N-S方程是数学中最为难解的非线性方程中的一类，寻求它的精确解是非常困难的，因此该类方法的运算效率极低，难以应用在实时三维渲染中。结合上述分析，现有技术中的渲染方法存在的缺点有：
（1）波纹模拟不真实：现有渲染方法无论基于数学模型还是物理模型的波纹生成，都难以模拟水体随时间变化的水波叠加形态变化和真实的连续水波运动，从而无法捕捉到真实水体波纹运动的多样性和复杂性。
（2）应用场景有限：现有渲染方法的运算效率普遍低，难以应用在实时三维渲染中。
（3）颜色不匹配：现有渲染方法未能准确模拟水体的颜色，导致渲染结果与实际地理位置中的水体颜色不匹配。
（4）地理位置不准确：现有渲染方法通常不考虑实际地理位置的地貌和环境特征，从而导致水波涟漪的横纵波周期、波长的空间分异规律与真实环境不一致。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中的不足，提供一种匹配真实地理水域环境的水体渲染方法、系统、介质和设备，可以准确模拟真实水波和色彩，提高与现实地理位置水体的相似度、动态水波渲染的真实性和计算效率。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种匹配真实地理水域环境的水体渲染方法，包括：
获取目标水面的多时相的遥感影像和对应水域范围的矢量数据，结合所述矢量数据对所述遥感影像进行掩膜处理和波段合成得到真彩色的遥感图像；
使用数字图像分析方法从所述遥感图像中提取水面色彩信息和水面波纹信息，所述水面波纹信息通过水面的法线向量表示；根据所述水面色彩信息构建水波颜色贴图，根据所述水面波纹信息构建水波法线贴图；
根据所述矢量数据构建目标水面的三维模型，结合多时相的所述遥感影像对应的水波颜色贴图、水波法线贴图，叠加周期重复性扰动对所述三维模型进行动态实时渲染，实现目标水面的动态水波和真实颜色渲染效果。
在本发明的一个实施例中，结合所述矢量数据对所述遥感影像进行掩膜处理和波段合成得到真彩色的遥感图像，包括：
使用所述矢量数据对所述遥感影像进行掩膜处理，得到只保留水域范围影像信息的遥感影像；
选择所述只保留水域范围影像信息的遥感影像中对应可见光中的红绿蓝三波段数据，对所述红绿蓝三波段数据分别赋予RGB通道合成真彩色图像；
将合成的真彩色图像存储为RGB图像，得到真彩色的遥感图像。
在本发明的一个实施例中，所述水面波纹信息的提取过程，包括：
构建所述遥感图像的三维矩阵表达：
，
其中，为所述遥感图像的三维矩阵表达，W为所述遥感图像的像素宽，H为所述遥感图像的像素高，D为图像通道数，D=3，三个通道0、1、2分别对应R、G、B三个颜色通道；表示所述遥感图像中第i行、第j列的第d个通道的数值；
对所述遥感图像的三维矩阵表达中的每个元素值进行颜色转换，将遥感图像转换成水面灰度图：
，
其中，为所述水面灰度图，/>为水面灰度图中第p行、第q列的灰度值，表示/>中第i行、第j列的R通道的数值，/>表示/>中第i行、第j列的G通道的数值，/>表示/>中第i行、第j列的B通道的数值；/>为RGB颜色值转换成灰度值的权重，满足/>；
使用梯度算子对所述水面灰度图进行卷积操作得到梯度图，根据梯度图构建所述水面灰度图的法线向量，使用所述法线向量表示所述水面波纹信息。
在本发明的一个实施例中，所述使用梯度算子对所述水面灰度图进行卷积操作得到梯度图，根据梯度图构建所述水面灰度图的法线向量，包括：
使用梯度算子计算所述水面灰度图的梯度图为：
，
；
其中，为计算得到的所述水面灰度图的横向梯度图，/>为计算得到的所述水面灰度图的纵向梯度图，/>表示横向梯度图中第dxi行、第dxj列的梯度值，表示纵向梯度图中第dyi行、第dyj列的梯度值，/>为卷积运算，GX为横向卷积核、GY为纵向卷积核；
构建所述水面灰度图的法线图的三维矩阵表达：
，
其中，为水面灰度图的法线图的三维矩阵表达，/>表示水面灰度图的法线图中第ni行、第nj列的第nt个维度的数值，T表示法线向量维度数；T=3，三个维度0、1、2分别对应三维空间的三个维度；
根据所述水面灰度图的法线图构建所述水面灰度图的法线向量。
在本发明的一个实施例中，根据所述水面灰度图的法线图构建所述水面灰度图的法线向量，包括：
遍历所述水面灰度图的法线图的所有位置，获取对应位置的图像梯度值和/>；其中/>表示所述水面灰度图的法线图的第i行、第j列的位置，；
根据梯度值构建梯度向量为：
，
其中，为所述水面灰度图的法线图的/>位置上的梯度向量；
根据梯度向量计算法线向量：
，
其中，表示梯度向量/>对应的法线向量，/>表示向量的模；
根据法线向量计算法线颜色向量：
，
其中，为法线向量/>对应的法线颜色向量；
令，得到所述水面灰度图的法线向量/>。
在本发明的一个实施例中，所述结合多时相的所述遥感影像对应的水波颜色贴图、水波法线贴图，叠加周期重复性扰动对所述三维模型进行动态实时渲染，包括：
计算所述三维模型的模型顶点在所述水波颜色贴图、水波法线贴图中的纹理映射坐标，通过所述纹理映射坐标获取初始水面颜色值和初始水面法线值；
基于光照计算模型，结合所述初始水面颜色值、初始水面法线值和环境信息计算动态水面颜色值；
对纹理映射坐标叠加周期重复性扰动得到扰动纹理映射坐标，根据所述扰动纹理映射坐标更新所述动态水面颜色值，并将更新后的动态水面颜色值作为最终的水面颜色对所述三维模型进行动态实时渲染。
在本发明的一个实施例中，计算所述三维模型的模型顶点在所述水波颜色贴图、水波法线贴图中的纹理映射坐标，通过所述纹理映射坐标获取初始水面颜色值和初始水面法线值，包括：
构建矢量水面的最小包围盒，/>为目标水面的所述矢量数据的最小包围盒中的左下角坐标的横坐标，/>为目标水面的所述矢量数据的最小包围盒中的左下角坐标的纵坐标，/>为目标水面的所述矢量数据的最小包围盒中的右上角坐标的横坐标，/>为目标水面的所述矢量数据的最小包围盒中的右上角坐标的纵坐标；
记三维模型的模型顶点为，其中/>为三维模型的模型顶点的横坐标，/>为三维模型的模型顶点的纵坐标；记模型顶点在所述水波颜色贴图或水波法线贴图中的纹理映射坐标为/>，其中/>为模型顶点在所述水波颜色贴图或水波法线贴图中的横坐标，/>为模型顶点在所述水波颜色贴图或水波法线贴图中的纵坐标，/>的计算方法为：
，
；
其中，W为所述遥感图像的像素宽，H为所述遥感图像的像素高，表示取最大值操作；
将所述水波颜色贴图和水波法线贴图输入三维图形渲染引擎，通过所述纹理映射坐标计算初始水面颜色值和初始水面法线值：
，
，
；
其中，为初始水面颜色值，/>为初始水面法线值，为初始水面法线值的计算中间值，/>为从指定位置提取二维纹理图像的像素值的操作，/>为所述水波颜色贴图，/>为所述水波法线贴图。
在本发明的一个实施例中，所述基于光照计算模型，结合所述初始水面颜色值、初始水面法线值和环境信息计算动态水面颜色值，包括：
根据光线方向和所述初始水面法线值计算水面漫反射系数：
，
其中，为水面漫反射系数，/>为光线方向，/>为所述初始水面法线值构成的三维向量，/>，分别表示构成所述初始水面法线值的三个维度的数值；
结合视线方向和水面漫反射系数计算菲涅尔反射系数：
，
其中，为菲涅尔反射系数，/>为视线方向，/>为菲涅尔近似系数；
结合光线方向、初始水面法线值，使用立方体贴图方法计算水面反射天空颜色值：
，
其中，为水面反射天空颜色值，/>为对立方体贴图进行采样操作，/>为天空盒立方体贴图，/>为光线在水面的反射方向向量，；
结合所述初始水面颜色值、菲涅尔反射系数和水面反射天空颜色值，计算所述动态水面颜色值为：
，
其中，为所述动态水面颜色值。
在本发明的一个实施例中，所述对纹理映射坐标叠加周期重复性扰动得到扰动纹理映射坐标，具体为：
，
；
其中，为叠加了周期重复性扰动后的所述扰动纹理映射坐标的横坐标，/>为叠加了周期重复性扰动后的所述扰动纹理映射坐标的纵坐标，/>表示波纹横向变化速度系数，/>表示波纹纵向变化速度系数，/>为以秒为单位的时间戳、表示当前时间，/>表示对1取余。
本发明还提供了一种匹配真实地理水域环境的水体渲染系统，包括：
数据获取模块，用于获取目标水面的多时相的遥感影像和对应水域范围的矢量数据，结合所述矢量数据对所述遥感影像进行掩膜处理和波段合成得到真彩色的遥感图像；
纹理贴图构建模块，用于使用数字图像分析方法从所述遥感图像中提取水面色彩信息和水面波纹信息，所述水面波纹信息通过水面的法线向量表示；根据所述水面色彩信息构建水波颜色贴图，根据所述水面波纹信息构建水波法线贴图；
渲染模块，用于根据所述矢量数据构建目标水面的三维模型，结合多时相的所述遥感影像对应的水波颜色贴图、水波法线贴图，叠加周期重复性扰动对所述三维模型进行动态实时渲染，实现目标水面的动态水波和真实颜色渲染效果。
本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现所述的匹配真实地理水域环境的水体渲染方法。
本发明还提供了一种匹配真实地理水域环境的水体渲染设备，包括存储器、处理器和存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述的匹配真实地理水域环境的水体渲染方法。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
本发明通过获取目标水面的遥感影像和对应水域范围的矢量数据，将水波运动形态的空间分异规律与现实地理位置匹配，提高了与现实地理位置水体的相似度和水波渲染的真实性；本发明提取水波和水体色彩特征并进行融合渲染，可以准确模拟真实水波和色彩，进一步提高了水波渲染的真实性；本发明在多时相的遥感影像的基础上叠加周期重复性扰动，在实现动态水波渲染的基础上更好地模拟了水体波纹运动的多样性和复杂性，计算效率高。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中：
图1是本发明方法的流程图。
图2是本发明中构建水波颜色贴图和水波法线贴图时缩放图像的示意图。
图3是本发明实施例中不使用法线贴图进行水面渲染的效果图。
图4是本发明实施例中使用随机法线贴图进行水面渲染的效果图。
图5是本发明实施例中使用本发明方法进行水面渲染的效果图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
实施例一
参照图1所示，本发明公开了一种匹配真实地理水域环境的水体渲染方法，包括以下步骤：
S1：获取目标水面的多时相的遥感影像和对应水域范围的矢量数据。本实施例中，遥感影像可以是卫星遥感影像，也可以是飞机、无人机等航天设备采集的遥感影像。矢量数据为地理信息领域对地理实体进行描述存储的通用数据结构，对自然环境中的水域范围可以用面状矢量数据来描述，面状矢量数据以一系列的坐标点以及坐标点之间的拓扑关系进行表达。由于矢量数据和遥感影像都具有地理坐标信息，因此在地理空间上具有一致性。
S2：结合所述矢量数据对所述遥感影像进行掩膜处理和波段合成得到真彩色的遥感图像。
S2-1：使用所述矢量数据对所述遥感影像进行掩膜（mask）处理，得到只保留水域范围影像信息的遥感影像。
S2-2：选择所述只保留水域范围影像信息的遥感影像中对应可见光中的红绿蓝三波段数据，对所述红绿蓝三波段数据分别赋予RGB通道合成真彩色图像；遥感影像中的数值可以对应可见光中的红绿蓝三波段数据，例如Landsat TM卫星采集到的遥感影像中，3（0.63-0.69 um）是红色波段，2（0.52-0.6 um）是绿色波段，1（0.45-0.52 um）是蓝色波段。
S2-3：将合成的真彩色图像存储为RGB图像，得到真彩色的遥感图像。由于遥感影像经过水面掩膜处理，因此在非水面区域无颜色信息，本实施例中对非水面区域赋予指定颜色，例如白色：RGB(255,255,255)，最终输出由遥感影像合成处理后的、具有真彩色的遥感图像。本实施例中存储遥感图像采用通用图片格式，例如png图像。
S3：使用数字图像分析方法从所述遥感图像中提取水面色彩信息和水面波纹信息，所述水面波纹信息通过水面的法线向量表示。
S3-1：水面色彩信息使用水面颜色值表达，因此水面色彩信息通过读取所述遥感图像的像素值得到。
S3-2：水面波纹在计算机图形学领域通常通过水面法线表达，可以基于水面法线信息模拟计算光线在水面和环境中的传播，通过光线的明暗变化来表达波纹效果。本发明通过数字图像分析方法从水面遥感图像中计算水面法线，所述水面波纹信息的提取过程，包括：
S3-2-1：构建所述遥感图像的三维矩阵表达：
，
其中，为所述遥感图像的三维矩阵表达，W为所述遥感图像的像素宽，H为所述遥感图像的像素高，D为图像通道数，D=3，三个通道0、1、2分别对应R、G、B三个颜色通道；表示所述遥感图像中第i行、第j列的第d个通道的数值；
S3-2-2：在自然环境中，水面流动导致水面高度发生变化，从而形成波纹效果，在同一片水域中，水面的颜色在色相表现上往往具有同一性，主要的区别是深浅明暗不同，因此可以将RGB彩色图像转换为灰度图像，通过水面灰度变化表达高度变化特征。因此对所述遥感图像的三维矩阵表达中的每个元素值进行颜色转换，将所述遥感图像转换成水面灰度图：
，
其中，为所述水面灰度图，/>为水面灰度图中第p行、第q列的灰度值，表示/>中第i行、第j列的R通道的数值，/>表示/>中第i行、第j列的G通道的数值，/>表示/>中第i行、第j列的B通道的数值；/>为RGB颜色值转换成灰度值的权重，满足/>；/>的取值使用计算机图像处理中目前普遍采用的数值，也可以根据实际的遥感图像进行调整，符合人眼对于颜色的感知敏感度即可。本实施例中/>。
S3-2-3：使用梯度算子对所述水面灰度图进行卷积操作得到梯度图，根据梯度图构建所述水面灰度图的法线向量，使用所述法线向量表示所述水面波纹信息。当水面各个位置具有高度差时，可基于高度差计算法线，将遥感水面图像的灰度值近似看作高度值，因此可以基于高度计算梯度、再基于梯度计算法线。
S3-2-3-1：图像梯度图计算：在计算机视觉领域计算图像梯度是通用操作，可通过梯度算子对图像进行卷积操作，实现梯度图计算。本实施例中使用梯度算子计算所述水面灰度图的梯度图：
，
；
其中，为计算得到的所述水面灰度图的横向梯度图，/>为计算得到的所述水面灰度图的纵向梯度图，/>表示横向梯度图中第dxi行、第dxj列的梯度值，表示纵向梯度图中第dyi行、第dyj列的梯度值，/>为卷积运算，GX为横向卷积核、GY为纵向卷积核；本实施例中使用的梯度算子为sobel梯度算子，对应的，/>。
S3-2-3-2：图像法线图计算：在多元微积分理论中，梯度垂直于高维曲面，因此可以基于梯度图构建法线向量。构建所述水面灰度图的法线图的三维矩阵表达：
，
其中，为水面灰度图的法线图的三维矩阵表达，/>表示水面灰度图的法线图中第ni行、第nj列的第nt个维度的数值，T表示法线向量维度数；在三维空间法线向量需要三个维度表示，因此T=3，三个维度0、1、2分别对应三维空间的三个维度；
所述水面灰度图的法线图和所述水面灰度图的法线向量的关联关系为：
，
其中，为所述水面灰度图中第ni行、第nj列位置的法线向量，/>表示中第ni行、第nj列的第一个维度的数值，/>表示/>中第ni行、第nj列的第二个维度的数值，/>表示/>中第ni行、第nj列的第三个维度的数值。
S3-2-3-3：根据所述水面灰度图的法线图构建所述水面灰度图的法线向量。
S3-2-3-3-1：遍历所述水面灰度图的法线图的所有位置/>，获取对应位置的图像梯度值/>和/>；其中/>表示所述水面灰度图的法线图的第i行、第j列的位置，/>；
S3-2-3-3-2：根据梯度值构建梯度向量为：
，
其中，为所述水面灰度图的法线图的/>位置上的梯度向量；
S3-2-3-3-3：根据梯度向量计算法线向量：
，
其中，表示梯度向量/>对应的法线向量，/>表示向量的模、即计算向量长度；
S3-2-3-3-4：法线向量的数值范围为[-1,1]，而RGB颜色空间的数值范围为[0,1]，为了将法线向量存储在颜色空间，本发明将法线向量转换为法线颜色向量。根据法线向量计算法线颜色向量：
，
其中，为法线向量/>对应的法线颜色向量；0.5为法线颜色转换权重，通过法线颜色转换权重将数值范围为[-1,1]的法线向量/>转换为数值范围为[0,1]的法线颜色向量/>。
S3-2-3-3-5：令，/>表示所述水面灰度图的第i行、第j列，得到所述水面灰度图的法线向量/>。
S4：构建水波纹理贴图，包括：根据所述水面色彩信息构建水波颜色贴图，根据所述水面波纹信息构建水波法线贴图。在三维图形渲染中，为了能够对三维物体增加更多的细节，通常采用纹理贴图的方式存储物体表面信息，在具体渲染过程中通过对纹理贴图进行采样，采用光照计算模型最终计算出物体表面颜色。本发明将计算所得的水面颜色信息和水面波纹信息存储为纹理贴图，为后续水体渲染提供数据支撑。法线贴图是一种特殊的纹理贴图，通过将表面凹凸细节转换为法线颜色值存储在纹理贴图中，以达到模拟凹凸表面细节的效果。
S4-1：三维渲染引擎通常要求纹理贴图的尺寸为2的幂次方，首先设定目标纹理尺寸，本实施例中以512*512为例、单位为像素，512*512该尺寸依据实际遥感图像大小调整。
S4-2：将所述水面色彩信息缩放至所述目标纹理尺寸得到所述水波颜色贴图，将所述水面波纹信息缩放至所述目标纹理尺寸得到所述水波法线贴图。所述缩放过程包括：
S4-2-1：获取所述遥感图像的尺寸W×H，其中，W为所述遥感图像的像素宽，H为所述遥感图像的像素高；
S4-2-2：计算缩放系数scale=L/max(W，H)，其中L为目标纹理的边长，max( )为取最大值操作；
S4-2-3：将所述水面色彩信息和所述水面波纹信息按照缩放系数scale进行等比例缩放，缩放后的宽度为W*scale、高度为H*scale；如图2所示，当W和H不相等时，缩放后的图像无法铺满512*512尺寸的纹理贴图，此时将经过缩放的图像按照左下角进行对齐，对对齐后的未覆盖区域赋固定颜色值，固定颜色值为一个统一的颜色，例如白色RGB(255,255,255)。
水面色彩信息包括水面上各处的色彩和对应的位置，水面上各处的色彩和对应的位置构成水面色彩图像。水面波纹信息包括水面上各处的法线颜色向量和对应的位置，水面上各处的法线颜色向量和对应的位置构成水面波纹图像。将所述水面色彩信息和所述水面波纹信息按照缩放系数scale进行等比例缩放、即是将水面色彩图像和水面波纹图像按照缩放系数scale进行等比例缩放得到水波颜色贴图和水波法线贴图。按照此缩放方法得到符合三维渲染引擎要求的固定尺寸的纹理贴图，纹理贴图包括水波颜色贴图和水波法线贴图。
本发明基于遥感图像提取水面颜色和水面法线信息，保存至纹理贴图，在三维图形渲染过程中，将模型顶点空间与纹理贴图空间相对应，则能够以准确的颜色和法线信息对模型表面进行颜色计算，从而渲染出符合真实地理环境的颜色效果。
S5：根据所述矢量数据构建目标水面的三维模型，具体为将所述矢量数据的所有顶点作为输入生成三角面，以所述三角面构建目标水面的三维模型。在三维图形渲染中，是针对对象三维模型进行渲染，三维模型以三角面结构表达，因此需要将水域的矢量面数据转换为可渲染的三维模型。本发明采用计算几何领域的Delaunay三角剖分法进行水面三角网构建，以矢量水面数据的所有顶点为输入，采用Delaunay三角剖分法生成三角面集合。构建出来的三角面顶点依然保留原始矢量数据的地理坐标，增加三角面数据结构，可用于三维图形渲染引擎进行渲染。生成三角面集合时使用的方法不限于Delaunay三角剖分法，还可以是其他三角面集合生成方法。
S6：结合多时相的所述遥感影像对应的水波颜色贴图、水波法线贴图，叠加周期重复性扰动对所述三维模型进行动态实时渲染，实现目标水面的动态水波和真实颜色渲染效果。基于水面的矢量数据构建水面三维模型，在此基础上将水面波纹特征融合水面三维模型进行渲染，以确保渲染结果与目标地理位置的实际环境特征相吻合。
S6-1：计算纹理映射坐标。水面三维模型由矢量水面数据生成，模型顶点坐标值保留原始地理坐标，且在数据处理阶段保证矢量水面空间范围与遥感影像空间范围一致，因此可以通过等比例计算方式计算所述三维模型的模型顶点在所述水波颜色贴图、水波法线贴图中的纹理映射坐标：
S6-1-1：构建矢量水面的最小包围盒，/>为目标水面的所述矢量数据的最小包围盒中的左下角坐标的横坐标，/>为目标水面的所述矢量数据的最小包围盒中的左下角坐标的纵坐标，/>为目标水面的所述矢量数据的最小包围盒中的右上角坐标的横坐标，/>为目标水面的所述矢量数据的最小包围盒中的右上角坐标的纵坐标；
S6-1-2：记三维模型的模型顶点为，其中/>为三维模型的模型顶点的横坐标，/>为三维模型的模型顶点的纵坐标；记模型顶点在所述水波颜色贴图或水波法线贴图中的纹理映射坐标为/>，其中/>为模型顶点在所述水波颜色贴图或水波法线贴图中的横坐标，/>为模型顶点在所述水波颜色贴图或水波法线贴图中的纵坐标，/>的计算方法为：
，
；
其中，W为所述遥感图像的像素宽，H为所述遥感图像的像素高，表示取最大值操作；
S6-2：通过所述纹理映射坐标获取初始水面颜色值和初始水面法线值。
S6-2-1：将所述水波颜色贴图和水波法线贴图输入三维图形渲染引擎，三维图形渲染引擎是将三维模型渲染到二维屏幕的计算机程序，提供基础的图形渲染开发接口，常见的有Unity、UE、three.js等；本实施例不对三维图形渲染引擎做具体限定。
S6-2-2：通过所述纹理映射坐标计算初始水面颜色值和初始水面法线值：
，
，
；
其中，为初始水面颜色值，/>为初始水面法线值，为初始水面法线值的计算中间值，/>为GLSL内置函数、表示从指定位置提取二维纹理图像的像素值的操作，/>为所述水波颜色贴图，/>为所述水波法线贴图。由于法线贴图中存储的是法线颜色，因此需要通过公式来转换为实际的法线值。
S6-3：基于光照计算模型，结合所述初始水面颜色值、初始水面法线值和环境信息计算动态水面颜色值：
S6-3-1：根据光线方向和所述初始水面法线值计算水面漫反射系数：
，
其中，为水面漫反射系数，/>为光线方向，/>在三维场景中定义，可以通过当前地理位置、日期和时间计算得到，计算方法为常用方法，不再赘述。/>为所述初始水面法线值构成的三维向量，具体可表示为：/>，所述初始水面法线值/>从所述水波法线贴图中获取，与S3中计算的水面灰度图的法线图一样，具有三个维度信息，/>分别表示构成所述初始水面法线值的三个维度的数值。
S6-3-2：在实际自然环境中，光线的反射存在菲涅尔现象，即观察物体时，视线与物体表面接近垂直，夹角越大，反射越弱，视线与物体表面接近水平，夹角越小，反射越强。为了使得水体渲染更加接近真实环境，同时兼顾计算性能，本发明基于近似菲涅尔公式，结合视线方向和水面漫反射系数计算菲涅尔反射系数：
，
其中，为菲涅尔反射系数，/>为视线方向，/>的计算方法也为常用方法，不再赘述；/>为菲涅尔近似系数；/>的取值根据实际情况确定，本实施例中/>。
S6-3-3：结合光线方向、初始水面法线值，使用立方体贴图方法计算水面反射天空颜色值：
，
其中，为水面反射天空颜色值，/>为GLSL内置函数，用于对立方体贴图进行采样操作，/>为天空盒立方体贴图，/>可以在程序中预制加载并传入三维图形渲染引擎；/>为光线在水面的反射方向向量，；/>为乘，/>为点乘。
S6-3-4：结合所述初始水面颜色值、菲涅尔反射系数和水面反射天空颜色值，计算所述动态水面颜色值为：
，
其中，为所述动态水面颜色值。
在真实自然环境中，水面会随时间流动形成动态变化的波纹效果，但单时相的遥感影像是固定时刻的静态图像，基于单时相影像渲染的水面仅能模拟某个时刻的水面静态特征。可以通过获取多时相影像数据并实时更新影像贴图来实现水面动态变化效果，但多时相连续影像数据往往很难获取，且计算量大难以满足实时渲染需求。因此，本发明利用水波纹具有的周期重复性特征，自定义周期函数并对水面波纹叠加扰动，以模拟水波流动效果。
S6-4：对纹理映射坐标叠加周期重复性扰动得到扰动纹理映射坐标，根据扰动纹理映射坐标更新动态水面颜色值，并将更新后的动态水面颜色值作为最终的水面颜色对水面模型、即所述三维模型进行动态实时渲染。
S-6-4-1：对纹理映射坐标叠加周期重复性扰动得到扰动纹理映射坐标：
，
；
其中，表示所述纹理映射坐标的横坐标，/>表示所述纹理映射坐标的纵坐标，/>为叠加了周期重复性扰动后的所述扰动纹理映射坐标的横坐标，/>为叠加了周期重复性扰动后的所述扰动纹理映射坐标的纵坐标。/>表示波纹横向变化速度系数，/>表示波纹纵向变化速度系数，/>为以秒为单位的时间戳、表示当前时间，/>表示对1取余，以保证纹理映射坐标数值在[0,1]范围内；叠加了周期重复性扰动后的纹理映射坐标。
S-6-4-2：基于扰动纹理映射坐标使用S6-2、S6-3中相同的方法重新计算动态水面颜色值，并将动态水面颜色值作为最终的水面颜色对水面模型进行渲染，以达到对真实环境水面颜色及波纹的模拟。随着时间变化，三维图形渲染引擎通过每帧更新时间参数，计算得到的水面颜色值和水面法线值呈周期性变化，在此基础上使用动态水面颜色值对水面模型进行渲染，最终呈现出水波流动的效果。
实施例二
本发明还公开了一种匹配真实地理水域环境的水体渲染方法系统，包括：
数据获取模块，用于获取目标水面的多时相的遥感影像和对应水域范围的矢量数据，结合所述矢量数据对所述遥感影像进行掩膜处理和波段合成得到真彩色的遥感图像；
纹理贴图构建模块，用于使用数字图像分析方法从所述遥感图像中提取水面色彩信息和水面波纹信息，所述水面波纹信息通过水面的法线向量表示；根据所述水面色彩信息构建水波颜色贴图，根据所述水面波纹信息构建水波法线贴图；
渲染模块，用于根据所述矢量数据构建目标水面的三维模型，结合多时相的所述遥感影像对应的水波颜色贴图、水波法线贴图，叠加周期重复性扰动对所述三维模型进行动态实时渲染，实现目标水面的动态水波和真实颜色渲染效果。
实施例三
本发明还公开了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现实施例一中所述的匹配真实地理水域环境的水体渲染方法。
实施例四
本发明还公开了一种设备，包括存储器、处理器和存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现实施例一中所述的匹配真实地理水域环境的水体渲染方法。
相较于现有技术，本发明的有益效果有：
1、本发明通过获取目标水面的遥感影像和对应水域范围的矢量数据，有效提取了目标地理位置上水体的真实外观和特征，并且将水波涟漪运动形态的空间分异规律与现实地理位置匹配，提高了与现实地理位置水体的相似度和水波渲染的真实性，实现了更真实和精确的水体渲染效果。
2、本发明同时提取水波和水体色彩特征并进行融合渲染，可以准确模拟真实水波和色彩，进一步提高了水波渲染的真实性，
3、本发明在多时相的遥感影像的基础上叠加周期重复性扰动，实现水波的动态渲染，在实现动态水波渲染的基础上更好地模拟了水体波纹运动的多样性和复杂性，提高动态水波渲染的真实性。
4、本发明通过对多时相的遥感影像进行颜色和法线提取实现水体颜色和波纹的渲染，相较于现有的迭代或求解方法复杂度低，整体计算效率得到显著提高，可以适用于各种场景的实时三维渲染，在数字孪生、虚拟现实、游戏动画、影视工业、地理信息系统、科学研究和环境等领域具有广泛应用前景。
为了进一步说明本发明的有益效果，本实施例中分别不使用法线贴图进行水面渲染、使用随机法线贴图进行水面渲染和使用本发明方法进行水面渲染，不使用法线贴图进行水面渲染的结果如图3所示，使用随机法线贴图进行水面渲染的结果如图4所示，使用本发明方法进行水面渲染的结果如图5所示。从图3~图5可以看出，本发明的水体渲染结果最好。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (12)
1.一种匹配真实地理水域环境的水体渲染方法，其特征在于，包括：
获取目标水面的多时相的遥感影像和对应水域范围的矢量数据，结合所述矢量数据对所述遥感影像进行掩膜处理和波段合成得到真彩色的遥感图像；
使用数字图像分析方法从所述遥感图像中提取水面色彩信息和水面波纹信息，所述水面波纹信息通过水面的法线向量表示；根据所述水面色彩信息构建水波颜色贴图，根据所述水面波纹信息构建水波法线贴图；
根据所述矢量数据构建目标水面的三维模型，结合多时相的所述遥感影像对应的水波颜色贴图、水波法线贴图，叠加周期重复性扰动对所述三维模型进行动态实时渲染，实现目标水面的动态水波和真实颜色渲染效果。
2.根据权利要求1所述的匹配真实地理水域环境的水体渲染方法，其特征在于：结合所述矢量数据对所述遥感影像进行掩膜处理和波段合成得到真彩色的遥感图像，包括：
使用所述矢量数据对所述遥感影像进行掩膜处理，得到只保留水域范围影像信息的遥感影像；
选择所述只保留水域范围影像信息的遥感影像中对应可见光中的红绿蓝三波段数据，对所述红绿蓝三波段数据分别赋予RGB通道合成真彩色图像；
将合成的真彩色图像存储为RGB图像，得到真彩色的遥感图像。
3.根据权利要求1所述的匹配真实地理水域环境的水体渲染方法，其特征在于：所述水面波纹信息的提取过程，包括：
构建所述遥感图像的三维矩阵表达：
，
其中，为所述遥感图像的三维矩阵表达，W为所述遥感图像的像素宽，H为所述遥感图像的像素高，D为图像通道数，D=3，三个通道0、1、2分别对应R、G、B三个颜色通道；/>表示所述遥感图像中第i行、第j列的第d个通道的数值；
对所述遥感图像的三维矩阵表达中的每个元素值进行颜色转换，将遥感图像转换成水面灰度图：
，
其中，为所述水面灰度图，/>为水面灰度图中第p行、第q列的灰度值，/>表示/>中第i行、第j列的R通道的数值，/>表示/>中第i行、第j列的G通道的数值，表示/>中第i行、第j列的B通道的数值；/>为RGB颜色值转换成灰度值的权重，满足/>；
使用梯度算子对所述水面灰度图进行卷积操作得到梯度图，根据梯度图构建所述水面灰度图的法线向量，使用所述法线向量表示所述水面波纹信息。
4.根据权利要求3所述的匹配真实地理水域环境的水体渲染方法和，其特征在于：所述使用梯度算子对所述水面灰度图进行卷积操作得到梯度图，根据梯度图构建所述水面灰度图的法线向量，包括：
使用梯度算子计算所述水面灰度图的梯度图为：
，
；
其中，为计算得到的所述水面灰度图的横向梯度图，/>为计算得到的所述水面灰度图的纵向梯度图，/>表示横向梯度图中第dxi行、第dxj列的梯度值，表示纵向梯度图中第dyi行、第dyj列的梯度值，/>为卷积运算，GX为横向卷积核、GY为纵向卷积核；
构建所述水面灰度图的法线图的三维矩阵表达：
，
其中，为水面灰度图的法线图的三维矩阵表达，/>表示水面灰度图的法线图中第ni行、第nj列的第nt个维度的数值，T表示法线向量维度数；T=3，三个维度0、1、2分别对应三维空间的三个维度；
根据所述水面灰度图的法线图构建所述水面灰度图的法线向量。
5.根据权利要求4所述的匹配真实地理水域环境的水体渲染方法，其特征在于：根据所述水面灰度图的法线图构建所述水面灰度图的法线向量，包括：
遍历所述水面灰度图的法线图的所有位置，获取对应位置的图像梯度值和/>；其中/>表示所述水面灰度图的法线图的第i行、第j列的位置，；
根据梯度值构建梯度向量为：
，
其中，为所述水面灰度图的法线图的/>位置上的梯度向量；
根据梯度向量计算法线向量：
，
其中，表示梯度向量/>对应的法线向量，/>表示向量的模；
根据法线向量计算法线颜色向量：
，
其中，为法线向量/>对应的法线颜色向量；
令，得到所述水面灰度图的法线向量/>。
6.根据权利要求1所述的匹配真实地理水域环境的水体渲染方法，其特征在于：所述结合多时相的所述遥感影像对应的水波颜色贴图、水波法线贴图，叠加周期重复性扰动对所述三维模型进行动态实时渲染，包括：
计算所述三维模型的模型顶点在所述水波颜色贴图、水波法线贴图中的纹理映射坐标，通过所述纹理映射坐标获取初始水面颜色值和初始水面法线值；
基于光照计算模型，结合所述初始水面颜色值、初始水面法线值和环境信息计算动态水面颜色值；
对纹理映射坐标叠加周期重复性扰动得到扰动纹理映射坐标，根据所述扰动纹理映射坐标更新所述动态水面颜色值，并将更新后的动态水面颜色值作为最终的水面颜色对所述三维模型进行动态实时渲染。
7.根据权利要求6所述的匹配真实地理水域环境的水体渲染方法，其特征在于：计算所述三维模型的模型顶点在所述水波颜色贴图、水波法线贴图中的纹理映射坐标，通过所述纹理映射坐标获取初始水面颜色值和初始水面法线值，包括：
构建矢量水面的最小包围盒，/>为目标水面的所述矢量数据的最小包围盒中的左下角坐标的横坐标，/>为目标水面的所述矢量数据的最小包围盒中的左下角坐标的纵坐标，/>为目标水面的所述矢量数据的最小包围盒中的右上角坐标的横坐标，/>为目标水面的所述矢量数据的最小包围盒中的右上角坐标的纵坐标；
记三维模型的模型顶点为，其中/>为三维模型的模型顶点的横坐标，/>为三维模型的模型顶点的纵坐标；记模型顶点在所述水波颜色贴图或水波法线贴图中的纹理映射坐标为/>，其中/>为模型顶点在所述水波颜色贴图或水波法线贴图中的横坐标，/>为模型顶点在所述水波颜色贴图或水波法线贴图中的纵坐标，/>的计算方法为：
，
；
其中，W为所述遥感图像的像素宽，H为所述遥感图像的像素高，表示取最大值操作；
将所述水波颜色贴图和水波法线贴图输入三维图形渲染引擎，通过所述纹理映射坐标计算初始水面颜色值和初始水面法线值：
，
，
；
其中，为初始水面颜色值，/>为初始水面法线值，/>为初始水面法线值的计算中间值，/>为从指定位置提取二维纹理图像的像素值的操作，/>为所述水波颜色贴图，/>为所述水波法线贴图。
8.根据权利要求7所述的匹配真实地理水域环境的水体渲染方法，其特征在于：所述基于光照计算模型，结合所述初始水面颜色值、初始水面法线值和环境信息计算动态水面颜色值，包括：
根据光线方向和所述初始水面法线值计算水面漫反射系数：
，
其中，为水面漫反射系数，/>为光线方向，/>为所述初始水面法线值构成的三维向量，/>，/>分别表示构成所述初始水面法线值的三个维度的数值；
结合视线方向和水面漫反射系数计算菲涅尔反射系数：
，
其中，为菲涅尔反射系数，/>为视线方向，/>为菲涅尔近似系数；
结合光线方向、初始水面法线值，使用立方体贴图方法计算水面反射天空颜色值：
，
其中，为水面反射天空颜色值，/>为对立方体贴图进行采样操作，为天空盒立方体贴图，/>为光线在水面的反射方向向量，；
结合所述初始水面颜色值、菲涅尔反射系数和水面反射天空颜色值，计算所述动态水面颜色值为：
，
其中，为所述动态水面颜色值。
9.根据权利要求6所述的匹配真实地理水域环境的水体渲染方法，其特征在于：所述对纹理映射坐标叠加周期重复性扰动得到扰动纹理映射坐标，具体为：
，
；
其中，为叠加了周期重复性扰动后的所述扰动纹理映射坐标的横坐标，/>为叠加了周期重复性扰动后的所述扰动纹理映射坐标的纵坐标，/>表示波纹横向变化速度系数，/>表示波纹纵向变化速度系数，/>为以秒为单位的时间戳、表示当前时间，/>表示对1取余。
10.一种匹配真实地理水域环境的水体渲染系统，其特征在于，包括：
数据获取模块，用于获取目标水面的多时相的遥感影像和对应水域范围的矢量数据，结合所述矢量数据对所述遥感影像进行掩膜处理和波段合成得到真彩色的遥感图像；
纹理贴图构建模块，用于使用数字图像分析方法从所述遥感图像中提取水面色彩信息和水面波纹信息，所述水面波纹信息通过水面的法线向量表示；根据所述水面色彩信息构建水波颜色贴图，根据所述水面波纹信息构建水波法线贴图；
渲染模块，用于根据所述矢量数据构建目标水面的三维模型，结合多时相的所述遥感影像对应的水波颜色贴图、水波法线贴图，叠加周期重复性扰动对所述三维模型进行动态实时渲染，实现目标水面的动态水波和真实颜色渲染效果。
11.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于：该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-9任一项所述的匹配真实地理水域环境的水体渲染方法。
12.一种匹配真实地理水域环境的水体渲染设备，其特征在于：包括存储器、处理器和存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1-9任一项所述的匹配真实地理水域环境的水体渲染方法。
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