数据驱动的不规则波浪建模方法研究

Simulation of irregular water waves has important application value in the field of special effects of films and televisions, 3D game development and so on. In recent years, water surface reconstruction technique based on measured data has been gradually developed, which provides a new solution to irregular water waves simulation. But the existing methods of water reconstruction are only suitable for indoor liquid under complex devices, or outdoor relatively calm water surface. There is no satisfactory solution yet to outdoor wide-range irregular water wave reconstruction. Our project studies data-driven simulation of irregular water waves. Firstly, based on the acquired video image sequences of irregular waves, we study the image-based three-dimensional surface reconstruction method of irregular waves, and an optimization method based on waves' physical constraints. After this we can get highly realistic irregular wave animation conforming to the laws of physics. Secondly, with a hybrid modeling scheme, we separately model the splashing spray and add it to the three-dimensional water surface to highlight the details of waves. Finally, we study the synthesis method of irregular wave animation using motion graph. This makes full use of the captured data and will meet the spatial and temporal demand for wave animation in applications.

对不规则波浪的模拟在影视特效、三维游戏开发等领域有着重要的应用价值。近年来，基于实测数据的水表面重建技术渐渐发展起来，为不规则波浪的模拟提供了新的解决思路。但现有的方法只适用于室内复杂实验装置下的水体模拟，或室外较平静水面的水表面重建。对户外大范围的不规则波浪，尚没有较为满意的重建方法。 本项目主要研究数据驱动的不规则波浪建模方法。首先，对获取的不规则波浪视频图像序列，研究了基于图像的不规则波浪三维表面生成方法，并提出了基于物理约束的波浪表面优化方法，得到符合物理规律的高真实感不规则波浪动画；其次，采用了波浪的混合建模方案，对波浪飞溅水花进行单独精细建模和叠加，突出不规则波浪的细节效果；最后，研究基于运动图的不规则波浪动画合成方法，提高捕获数据的重用性，满足影视特效等应用对波浪动画在时空上延展上的需求。

流体场景的真实感模拟，在传统的影视特效、广告、三维游戏开发等领域，以及虚拟现实、增强现实等领域，都有着重要的应用及研究价值。但是由于天然波浪的复杂性与不规则性，现有的波浪模拟方法难以在计算效率与真实感之间实现平衡。复杂水面快速建模与可控动画生成一直是计算机图形学研究的热点问题之一。近年来，由于深度相机等高精度采集设备的发展，基于实测数据的水表面重建技术渐渐发展起来，该技术主要利用数据采集设备，拍摄水表面运动，根据采集到的真实水表面运动数据，融合计算机视觉和物理模拟方法，快速重构出水体的三维表面。. 本项目采用数据驱动的方式对水表面进行建模，基于视频拍摄、深度相机采集水表面的深度数据，对水表面进行三维重建。并结合物理模型，对重建的水表面数据进行优化处理，为了重用捕获的数据，研究了基于骨架的波浪编辑方法，可以对已有的波浪运动进行修改，使之适应新的应用场景。该项目研究为流体特效的生成提供了一种新的思路和方法，可以较为快速地生成真实感较强的流体动画效果。从而为影视特效、游戏及各种虚拟现实应用提供了流体建模方法。. 在该课题研究过程中，发表期刊论文17篇，会议论文3篇，其中CCF A类期刊1篇，SCI期刊论文6篇，EI收录7篇，申请发明专利4项。通过本课题的研究，为水表面的数据采集、处理、三维重建及运动编辑提供了一种新的解决方案。