多维物理属性的动态火焰重建技术研究

Flame is a typical kind of inhomogeneous participating media whose points have diverse velocities in space. Dynamic flame reconstruction has been a challenging problem with its sparse density, uneven particle distribution, light propagation process complication, randomness in temperature distribution and evolution. The existing physically-based simulation methods dedicate to present the visually reality of flame, but lacks of physical information; while the flame simulation research in combustion science concentrate on the acquisition of physical quantity without the support of mechanics equations. In this proposal, we foucs on the physically validated dynamic flame reconstruction. Deriving from the sampling of the real flame, we calculate the relationship of flame color and temperature, and acquire and reconstruct the fields of flame physical quantities such as density, temperature and radiation. And the reconstruction and edit of physically realistic dynamic flame will be achieved by combining the visually geometrical features reconstruction with physical parameters reconstruction. This project provides a novel idea to improve the physical reliability of dynamic flame simulation, and can be applied to simulate scenarios that require physical verification such as virtual fire training, industrial temperature control and film special effects.

火焰是典型的非均匀参与介质，密度稀疏、粒子分布不均匀、光线传播过程复杂，温度分布和演变随机性大，真实感动态火焰重建一直是可研究的热点问题。目前图形学通常采用的物理模拟方法主要表现火焰在几何空间上的视觉真实感，缺乏物理信息；而燃烧学的火焰仿真研究重在测量火焰中物理量的数值分布，缺少力学方程的支持，数值重用困难。本项目拟研究具有物理属性的动态火焰重建，表现有一定物理可信度的火焰模拟。拟从真实火焰现象的数据采样出发，挖掘火焰颜色和温度之间的关系，获取并重建火焰的密度、温度等物理数值场，将物理场和视觉重建结合进行三维火焰的重建和编辑，实现具有物理属性的真实感火焰模拟和编辑。本项目研究为提高真实感模拟的物理可信度提供了一种思路和基础，适用于虚拟消防训练、工业温控和影视特效等具有物理验证性要求的模拟应用。

通常采取图形学建模或基于视频的图像建模方法获得的逼真虚拟火焰，主要实现了几何属性方面的逼真度，而在体现物理与行为属性方面，很难得到满意的结果。本项目围绕具有多维物理属性的动态火焰重建技术，研究表现有一定物理可信度的火焰模拟和编辑方法。.通过本项目的研究，搭建了火焰多维物理和几何属性采集平台，实现了多视角高动态范围图像和物理属性数据的同步采集与计算，提高了火焰高频细节特征的采集精度，形成了典型火焰现象的采集方法与数据集；完成了基于HDR图像的单一物理数值场重建研究，实现了更加准确的辐射力、单光谱辐射照度、折射率、密度、温度等物理属性数据重建，并支持物理与几何数据的对比分析；完成了火焰多种物理属性重建的一致性约束研究，实现了既符合采样数据分布又满足参数之间物理规律的温度、密度、折射率联合重建；在重建火焰几何特征的同时重建出多种物理属性参数的时空分布及变化，实现了基于温度、体密度、折射率、发射比等物理属性的动态火焰重建与编辑；完成了几何与物理重建结果的对比与参数优化，实现具有一定物理属性可验证性的火焰模拟与火灾检测等数据重用。.通过本项目研究，形成了平台搭建、数据获取、火焰重建、联合约束、迭代优化、融合验证、动态编辑等关键技术突破，相关成果申请国家发明专利12项，其中4项已授权；在本领域重要期刊和会议上发表相关论文24篇，其中SCI收录10篇，IEEE Transactions期刊论文3篇，CCF-A类会议论文3篇，会议最佳论文2篇；依托项目培养博士后出站1人，硕博士毕业生10人，支持项目研究骨干参加学术交流和国际合作交流20余人次，取得了良好的合作效益。本项目捕获真实发生火焰的物理属性数据，以真实物理属性为基础进行复杂火焰现象的重现，使虚拟对象具有可对比的真实数据基础，较好地推动了虚拟与现实之间逼真度问题的研究，并在锅炉控温、虚拟消防、火灾监控、游戏娱乐、燃烧相关科学实验等领域具有较好的市场前景和应用价值。