基于图像的燃烧火焰物理参数重建研究

Compared with traditional flame simulation methods, physical parameters based one possesses an apparent advantage in terms of reality. Physical parameters based flame simulation plays a particularly important role in practice, for it is able to show the special behaviors of combustion flame, i.e. the physically plausible look as a whole, but complex and chaotic behaviors in part. So far, few physical parameters based flame simulation methods are proposed. Due to complex physical mechanism and random behaviors of the flame, it is difficult to measure the physical parameters directly. Image acquisition technology offers a new way for flame physical parameters reconstruction fortunately, but too much physical mechanisms of the flame are simplified in the very way, which leads to unsatisfactory accuracy of the reconstructed physical parameters and visual effect of the flame simulated based on those physical parameters. So it is necessary to do an in-depth study on the reconstruction of the flame physical parameters. This project aims to put forward a high-accuracy and low-cost flame physical parameters reconstruction algorithm. In this project we will study the accuracy flame image acquisition, physical parameters modeling as well as reconstruction of multiply physical parameter at the same time. Also we will analysis the robustness of the algorithm through theoretical research and experiment, explicit its limitation and scope of application. Our goal is to provide theoretical basis for practical application.

火焰的真实物理参数对有很强真实感要求的火焰模拟具有特殊的应用价值，这是因为基于真实物理参数的火焰模拟能表现出燃烧火焰在真实环境中整体规律性强而局部复杂无序的行为。与传统火焰模拟方法相比基于物理参数的火焰模拟方法在真实感方面有明显优势。目前基于物理参数的火焰模拟方法还很少，其主要原因是火焰物理机制复杂、运动变化随机，很难通过直接测量得到准确的物理参数，图像获取技术的发展为火焰物理参数重建提供了新途径。已有的基于图像的火焰物理参数重建算法通常对火焰物理特性做过多简化，基于这些算法的火焰模拟效果不能满足真实感的要求，因而需要对基于图像的火焰物理参数重建问题做专门研究。本研究旨在提出高精度、低成本的基于图像的火焰物理参数重建算法，研究火焰图像的精确获取，研究火焰物理参数的求解模型以及多参数的联合重建，从理论与实验两方面，分析算法的鲁棒性，明确算法的局限性与适用范围，为实际应用提供理论根据。

火焰是一种变化极为丰富生动的自然现象。在虚拟现实领域，对火焰的模拟再现一直是重要的基础研究目标之一。火焰的物理参数场对有很强真实感要求的火焰模拟具有特殊的应用价值，这是因为基于物理参数场的火焰模拟能表现出燃烧火焰在真实环境中整体规律性强而局部复杂无序的行为。捕获真实发生火焰的物理参数，以真实物理参数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，将推动虚拟与现实之间逼真度问题的研究。本项目的研究内容包括：多(稀疏)视角的火焰HDR图像序列的精确获取与火焰HDR图像对应辐射能的标定、基于辐射能的火焰物理参数场的建模、火焰物理参数场的联合重建算法以及基于物理参数场的火焰模拟。课题组主要研究成果包括：（1）物理一致性约束的三维火焰温度场、密度场以及折射率场重建方法。将火焰物理参数之间的数量关系作为约束条件，迭代计算火焰的温度场、密度场和折射率场，使重建的火焰物理参数场具有物理可信度；（2）色温映射约束的三维火焰温度场重建方法。基于火焰颜色与温度之间的对应关系重建火焰三维温度场，解决了火焰重建中的色差问题；（3）基于光场相机的火焰三维光度场重建方法。将火焰成像过程看作一个线性时不变系统，利用光场相机捕获火焰光场信息，实现火焰光度场的快速重建；（4）基于边界层理论模型的漩涡合成模拟方法，用以实现火焰模拟过程中火焰舔舐固体时生成热气流漩涡的模拟效果;（5）场景表面的光场表示模型。该模型实现了复杂环境下的空间变化照明，可用于模拟火焰发光的真实感照明。本项目研究成果对推进非均匀参与介质模拟结果与真实现象之间逼真度问题的研究具有积极意义，为训练仿真、虚拟消防、锅炉控温等领域具有一定真实感要求的火焰模拟应用的实现提供新思路与理论基础。