动态参与介质建模技术研究

The modeling of participating media, such as smoke and fog, is a challenging problem, because their motion and the light propagation inside are highly complex. The purpose of this project is to investigate the theories, methodology and key techniques of participating media modeling. This research will establish a richer scientific understanding of participating media, and has applications in a broad spectrum of areas including virtual reality, system simulation, filmmaking and other forms of digital entertainment. The major thrusts of this research are: the development of methods and devices for acquiring the density field of participating media; while finding the density field, improving the efficiency of gradient computation and the convergence of the iterative optimization process; based on the density field, solving the multi-scale velocity fields and high frequency details; acquiring detailed motion data for a variety of types of participating media to create a database; establishing a physics-based participating media modeling method from animations captured at a single view; based on the detailed motion database, developing a real-time, controllable and realistic participating media editing tool with low computational complexity.

参与介质(如烟、雾等)运动变化以及光在参与介质中传播过程都十分复杂，建模难度非常大。本项目研究基于数据驱动的参与介质建模理论、方法和关键技术，对促进参与介质在虚拟现实、系统仿真、影视娱乐等领域的应用具有重要的科学意义和应用价值。主要研究内容包括：研究参与介质数据采集方法，研制采集设备，研究参与介质密度场构造方法，解决大量未知参数的梯度快速求解和优化收敛问题；基于参与介质密度场，研究多尺度的速度场求解方法；研究基于密度场构造细节模型的方法，采集多种参与介质运动数据，构造细节模型库；基于单视点采集数据，研究构造符合物理规律的参与介质模型方法，解决物理方程参数优化求解问题；研究参与介质模型编辑方法，降低计算量，结合细节模型库，为用户提供实时、可控、逼真的编辑工具。

本项目围绕动态参与介质的建模技术开展研究工作，研究成果如下：(1)研究了基于物理方程的流体模拟，提出了一种支持自适应网格投影和预览控制的快速烟模拟方法，在统一的计算框架中，使得用户能同时从快速投影和预览控制两个方面受益。提出了一种基于半拉格朗日的液体建模方法，生成逼真的液体表面模型。(2)研究了基于图像的参与介质数据采集和建模。针对烟雾等参与介质，提出了两种不同的数据采集与建模方法：基于单散射断层摄影的数据采集和建模方法，基于激光扫描面体数据重构方法。针对水面，提出了水面数据采集和建模方法，提出了基于FFT的水面运动模型，实现了可交互的水面模型编辑。针对云，提出了一种基于单幅图像的云的体数据重构方法，通过对云的密度场分布进行一定的假设，并结合单散射成像原理进行数据估计与优化求解，得到比较逼真的云的体数据。(3)研究了流体数据的速度场估计，提出了一种对整个流体序列进行速度估计的时空光流分析方法。将流体的速度场的不可压缩性以及流体随时间的变化引入整个光流模型中，利用多种优化策略以及近似策略进行模型的求解。(4)研究了流体模型的编辑，提出了一种基于网格变形的流体序列编辑方法。构造了新的网格变形能量公式，提出了快速求解方法，满足用户实时编辑和离线导出精细模型的需求。在国内外重要学术期刊和会议上发表论文22篇，其中SCI检索9篇，EI检索10篇；CCF推荐A类期刊会议1篇，B类期刊会议4篇，C类期刊会议7篇。中国发明专利授权6项，获软件著作权 1项。在本项目资助下，3名博士生毕业，12名硕士生毕业。