基于动态插帧技术的曲面过程时空模拟方法

摘要

本发明涉及一种基于动态插帧技术的曲面过程时空模拟方法，其步骤为：开始模拟；构建模拟初始曲面；初始化曲面模拟的参数；动态插帧构面的过程；最后将插帧构建的曲面进行三维显示。所述的动态插帧构面的过程的步骤中包括：计算时间值，插值计算所有点的Z值，将所有点的Z值更新，重新构面。在时间上通过不断的计算时间值，构建出每个插帧时刻的曲面空间模型并显示，直至完成最后一个曲面模型的显示。本方法的动态插帧技术解决了当样本观测值相对有限时模拟过程跳跃不流畅的问题。本发明突破了以往对观测信息的表达方式，采用曲面时空变化的画面表达观测信息，逼真直观地模拟其变化过程，特别适用于地下水模拟和地面沉降等曲面变化过程的模拟。

权利要求

1.一种基于动态插帧技术的曲面过程时空模拟方法，通过计算机实施，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一，开始模拟，构建模拟初始曲面：根据初始的已有数据利用普通三维曲面构建的方法先构建模拟的初始曲面； 步骤二，初始化曲面模拟的参数：初始化参数包括整个模拟演示的时间和每秒钟插入的帧数；

步骤三，动态插帧构面，包括以下几个小步骤：

（1）、计算时间值，所述计算时间值是计算当前插帧时刻距离模拟初始时刻的时间值；

（2）、插值计算所有点的Z值，所述的插值计算所有点的Z值是根据原始观测信息计算所有点的Z值；插值计算所有点Z值的方法步骤按：①、原始采样的离散点不变，根据时间间隔△T内空间上的变化值△S，计算这一时间间隔内的平均变化速度V=△S/△T；

②、计算出所有时间间隔内的平均变化速度Vi =△Si /△Ti，将所有的各段时间间隔内的平均速度作为该段时间间隔内的初始速度，即T0至T1时间间隔内的空间变化值为S1 - S0，平均速度V0-1=（S1 - S0）/ (T1 - T0) ，则 将T0时刻的变化速度V0设为平均速度V0-1， V0 = V0-1=（S1- S0）/ (T1- T0)，其他时刻的速度同理处理； ③、由得到每个时刻的变化速度算出每段时间间隔内的空间变化的加速度ai= △Vi / △Ti ，得到每个插帧时刻的变化速度，设Tk为一插帧时刻，如果Tk处于T0 至 T1 时间段，则 Tk时刻的速度为Vk = V0 + a1 *（Tk- T0） ，设Vk时刻的Z值为Zk ， V0 时刻的Z值为Z0，V1时刻的Z值为Z1，则 Zk = Z0 + 0.5*（V0+ Vk）（Tk- T0）；如果Tk处于T1 至T2时间段，则Vk= V1+ a2*（Tk - T1），Zk= Z1+ 0.5 *（V1+ Vk）（Tk- T1）；处于其他时间段依次类推，即得到新的Z值；

（3）、将所有点的Z值更新，所述的将所有点的Z值更新是将步骤（2）计算的所有点的Z值更新到构建曲面的程序中；

⑷、重新构面，所述的重新构面是在所有点的Z值更新后，由更新后的Z值重新构建曲面；

步骤四，将插帧构建的曲面进行三维显示，曲面三维显示之后继续转向步骤三，即继续重复进行插帧构建曲面，直至完成最后一个曲面模型的显示，即模拟过程结束。

2.根据权利要求1所述的基于动态插帧技术的曲面过程时空模拟方法，其特征在于：所述的动态插帧构面的过程中，采用非均匀插值算法，即时间变化周期△T内的空间变化的速度是动态变化的，可以实现插帧的平滑过渡。

说明书

基于动态插帧技术的曲面过程时空模拟方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种曲面时空模拟方法，特别是一种基于动态插帧技术的曲面过程时空模拟方法，典型应用有地面沉降动态模拟、地下水变化过程等动态模拟。

背景技术

[0002] 我们知道，世界上90%的信息是通过视觉系统感知的，为了使信息表达更加形象直观，易于理解，图形成为传递信息的最主要媒体之一，计算机图形学因此得到了很大的发展。尤其随着现代科学技术的发展，三维图形可视化技术逐步发展起来，并成功应用在各行各业。三维图形图像可以形象直观地表达客观世界，三维动态模拟技术可以实现对难以描述的一些动态过程进行直观形象的模拟。

[0003] 例如，在对某一个区域历年的地面沉降情况进行模拟时，以往一般的做法是将历年的沉降值以二维图表的形式表达出来，这种表达形式只能给人一种数值上的变化感知，没有地面的形态表达，更没有沉降动态的模拟过程。目前利用三维技术，用曲面模型表达地面的高程情况，用多个曲面模型模拟历年的地面沉降的多个状态，加上时间维度，就可以模拟出地面沉降的过程，这种动态的表达方式不仅可以直观地感到数值上的变化趋势，还较逼真地模拟了地面沉降动态变化过程。

[0004] 然而，目前在三维动态过程模拟技术中，常常由于模型变化的无规则性，以及模型样本观测值的稀缺等原因，要想做出较准确的、实时的时空动态过程模拟比较困难。我们知道，在3D动画中，一般实现的方法是通过关键帧，一帧一个画面来实现一个过程的模拟。因为人的肉眼的反应时间是1/24秒，所以当画面数一秒钟达到24帧以上时，人眼是分不出来具体的每个画面的，看到的是连续的流畅的变化过程。所以在三维动态过程模拟中，也需要将关键帧设置在24帧以上，才能达到流畅的显示效果。但是原始数据量一般没有那么多，另外模型较多对内存要求也更高。

发明内容

[0005] 本发明目的在于解决上述现有技术的不足，尤其是模型样本观测值的稀缺的问题而提出一种基于动态插帧技术的曲面过程时空模拟方法，可以实现流畅平滑的时空模拟过程。本方法突破常规对观测信息以数据或二维图表的形式表达的方式，而采用曲面时空变化的画面表达观测信息。本方法是由原始的数据构建模拟的初始曲面，再通过插值计算，构建出每个插帧时刻的曲面空间模型并显示，从而实现曲面时空动态过程的模拟。

[0006] 为了实现本发明目的所采用的技术方案是：提出一种基于动态插帧技术的曲面过程时空模拟方法，通过计算机实施，包括以下步骤：

[0007] 步骤一，开始模拟，构建模拟初始曲面：根据初始的已有数据利用普通三维曲面构建的方法先构建模拟的初始曲面；

[0008] 步骤二，初始化曲面模拟的参数：初始化参数包括整个模拟演示的时间和每秒钟插入的帧数;

[0009] 步骤三，动态插帧构面，包括以下几个小步骤：

[0010] （1）、计算时间值，所述计算时间值是计算当前插帧时刻距离模拟初始时刻的时间值；

[0011] （2）、插值计算所有点的Z值，所述的插值计算所有点的Z值是根据原始观测信息计算所有点的Z值；插值计算所有点Z值的方法步骤按：

[0012] ①、原始采样的离散点不变，根据时间间隔△T内空间上的变化值△S，计算这一时间间隔内的平均变化速度V=△S/△T；

[0013] ②、计算出所有时间间隔内的平均变化速度Vi =△Si /△Ti，将所有的各段时间间隔内的平均速度作为该段时间间隔内的初始速度，即T0至T1时间间隔内的空间变化值为S1 - S0，平均速度V0-1=（S1 - S0）/ (T1 - T0) ，则 将T0时刻的变化速度V0设为平均速度V0-1， V0 = V0-1=（S1- S0）/ (T1- T0)，其他时刻的速度同理处理；

[0014] ③、由得到每个时刻的变化速度算出每段时间间隔内的空间变化的加速度ai= △Vi / △Ti ，得到每个插帧时刻的变化速度，设Tk为一插帧时刻，如果Tk处于T0 至 T1 时间段，则 Tk时刻的速度为Vk = V0 + a1 *（Tk- T0） ，设Vk时刻的Z值为Zk ， V0 时刻的Z值为Z0，V1时刻的Z值为Z1，则 Zk = Z0 + 0.5*（V0+ Vk）（Tk- T0）；如果Tk处于T1 至T2时间段，则Vk= V1+ a2*（Tk - T1），Zk= Z1+ 0.5 *（V1+ Vk）（Tk- T1）；处于其他时间段依次类推，即得到新的Z值；

[0015] （3）、将所有点的Z值更新，所述的将所有点的Z值更新是将步骤（2）计算的所有点的Z值更新到构建曲面的程序中；

[0016] （4）、重新构面，所述的重新构面是在所有点的Z值更新后，由更新后的Z值重新构建曲面；

[0017] 步骤四，将插帧构建的曲面进行三维显示，曲面三维显示之后继续转向步骤三，即继续重复进行插帧构建曲面，直至完成最后一个曲面模型的显示，即模拟过程结束。

[0018] 本发明在曲面模拟过程中，在模拟之前获取的原始数据可以是地面离散观测点以及每一年观测得到的地面高程数据，也可以是每一年地面的曲面模型。如果获取的数据是原始的采样信息，则由离散的观测点和观测最初期的地面高程信息构建一个初始的曲面模型，可以利用普通三维曲面构建的方法构建即可。如果获取的数据已经是曲面模型，则可以直接利用这个原始的曲面为初始曲面模型。本发明在曲面模拟过程中，是在刷帧的过程中完成曲面的构建与更新，这样做可以避免占用计算机内存，有效地解决了对计算机内存需求大的要求。

[0019] 本发明所述的动态插帧构面的过程中，插值计算所有点Z值的方法步骤如下：

[0020] ①、原始采样的离散点不变，根据时间间隔△T内空间上的变化值△S，计算这一时间间隔内的平均变化速度V=△S/△T；

[0021] ②、计算出所有时间间隔内的平均变化速度Vi=△Si/△Ti，将所有的各段时间间隔内的平均速度作为该段时间间隔内的初始速度，即T0至T1时间间隔内的空间变化值为S1-S0，平均速度V0-1=（S1 - S0）/ (T1 - T0)，则将T0时刻的变化速度V0设为平均速度V0-1， V0 = V0-1 =（S1- S0）/ (T1 - T0)，其他时刻的速度同理处理；

[0022] ③、由得到每个时刻的变化速度算出每段时间间隔内的空间变化的加速度ai= △Vi / △Ti，得到每个插帧时刻的变化速度，设Tk为 一 插 帧时刻，如果Tk处于T0 至T1 时间段，则Tk时刻的速度为Vk = V0 + a1*（Tk- T0） ，计算出K点空间上 的变化值，Z值 Zk= Z0 + 0.5*（V0+Vk）（Tk- T0）；如果Tk处于T1至T2则时间段，则Vk= V1+ a2*（Tk- T1），Z值Zk= Z1+ 0.5*（V1+Vk）（Tk- T1）；处于其他时间段依次类推，即得到新的Z值。式中“*” 、“ /”分别表示乘号、除号。

[0023] 本发明所述的动态插帧构面的过程中，采用非均匀插值算法，即时间变化周期△T内的空间变化的速度是动态变化的，可以实现插帧的平滑过渡。

[0024] 本发明的基于动态插帧技术的曲面过程时空模拟方法，与传统的模拟表达方法相比具有如下显著的优点：

[0025] （1）采用本发明动态插帧技术的曲面过程时空模拟方法，突破以往常规模型分析方式，提供一种直观生动的表现形式。

[0026] （2）本发明实现了时间与空间上的同步模拟，模拟效果准确、实时，表达力极强，可以清晰地看出某一时刻相应的情况及过程变化趋势。

[0027] （3）在原始数据相对有限的情况下，本发明采用动态插帧技术构建出符合需要的插帧曲面，插值算法简单，较好的解决了关键帧之间的平滑过渡问题。

[0028] （4）本发明提出了动态插帧构面，曲面过程模拟时，在刷帧的过程中完成曲面模型的构建与更新，解决了对计算机内存要求高的难题。

[0029] （5）本发明实现的动态过程模拟，画面流畅、自然。

附图说明

[0030] 图1为本发明时空动态模拟过程示意图。

[0031] 图2为本发明曲面时空动态模拟流程图。

[0032] 图3为本发明插值计算Z值的过程示意图。

[0033] 图4为两种不同插值算法的比较示意图。

具体实施方式

[0034] 下面结合附图和具体实施例对本发明的方法作进一步的详述。

[0035] 实施例1：本发明提出一种基于动态插帧技术的曲面过程时空模拟方法，所述时空曲面动态过程模拟是指在时间上和空间上能保持同步，空间上曲面的变化过程能以真实的三维立体直观的方式体现。将时间空间模拟的过程用图表示，就是随着时间轴，在每一时间点上有对应的空间模型信息，时间上连贯起来就是一个变化过程的动态模拟，参见图1。

[0036] 现在以模拟某一地区2000-2009年十年的地面沉降变化情况为例，假设获取的原始数据是地面离散观测点以及每一年观测得到的地面高程数据，采用本发明的基于动态插帧技术的曲面过程时空模拟方法进行模拟，通过计算机实施模拟地面沉降变化，包括以下步骤：

[0037] 步骤一，开始模拟，构建模拟初始的曲面。由已知的离散的观测点和观测最初期的信息，即2000年的地面高程信息构建一个初始的曲面模型，利用普通三维曲面构建的方法构建即可。这里构建模拟初始曲面的目的是，为整个曲面模拟过程提供一个曲面模型构建的程序，在下步的模拟过程中，只需要计算所有点的Z值来更新曲面。因为所有曲面模型，都有空间坐标，整个地面沉降变化过程只是地面高程值的变化，即空间上Z值的变化。

[0038] 步骤二，初始化曲面模拟参数。初始化参数包括整个模拟演示过程的时间和每秒钟插帧数。假设初始化2000年至2009年的地面沉降变化整个模拟演示过程的时间是10秒钟，插帧数是30，则每一年的变化过程对应一秒钟的模拟演示时间，每秒钟内需要插帧30次。

[0039] 步骤三，插帧构建曲面。插帧构建曲面是整个曲面过程时空模拟的核心过程，具体分以下几个步骤：（1）、计算时间值；（2）、插值计算所有点的Z值；（3）、将所有点的Z值更新；（4）、重新构面；

[0040] 所述的计算模拟的时间值是指计算当前插帧时刻的时间距离模拟开始时刻的时间值，即当前插帧时刻模拟进行了多久，由步骤二得到总的模拟时间是10秒钟，则这个时间值在0至10秒之间，包括0秒和10秒；

[0041] 所述的插值计算所有点的Z值，这一步是整个模拟的关键步骤，是体现本发明的特点，插值算法影响模拟的效果；Z值的计算在后结合图3和图4专门详述；

[0042] 所述的将所有点的Z值更新，是将上一步插值计算得到的所有点的Z值更新到构建曲面的程序中；

[0043] 所述的重新构面，由曲面构建程序重新构建曲面，这里曲面构建的程序即步骤一中的普通三维曲面构建的程序。

[0044] 步骤四，将构建的曲面进行三维显示，构建一个曲面就刷帧显示，并接着转向步骤三，继续计算时间值，进行插值计算并重新构建曲面，直至完成最后一个曲面模型的显示，即模拟过程结束。最后一个曲面模型就是2009年的曲面模型。

[0045] 下面结合图3和图4说明本发明的插值计算Z值方法，其步骤为：

[0046] ①、根据获取的历年地面高程信息，即每年观测的地面的沉降量，可以直接计算出每年沉降的平均速度；如图3所示，用T0、T1、T2、T3、T4、T5时刻分别代表2000年、2001年、2002年、2003年、2004年、2005年，则对应变化的平均速度为V0、V1、V2、V3、V4、V5 ；

[0047] ②、对平均速度做这样的一个处理，即将第①步计算的所有的各段时间间隔内的平均速度作为该段时间间隔内的初始速度，例如，T0至T1时间间隔内的平均速度V0作为 T0时刻的变化速度，T1至T2时间间隔内的平均速度V1作为 T1时刻的变化速度，其他时刻的速度同理类推，如图3所示；

[0048] ③、 每 个时刻的 变化速度 得到以后，可以算出 每段时间间隔内的 空间变化的 加速度ai=△Vi/△Ti，如a1=（V1-V0）/（T1-T0），a2=（V2-V1）/（T2-T1），从而可以计算得到任一插帧时刻的变化速度，如设Tk为一插帧时刻，图3中Tk时刻的速度为Vk=V1+ a2*（Tk-T1）。再经计算得出空间上的变化值，即得到新的Z值。假设V0 、V1、V2、V3、V4、V5时刻的Z值分别为Z0、Z1、Z2、Z3、Z4、Z5，这些时刻的Z值是已知的原始数据，即每年观测得到的地面高程值。则Vk时刻的Z值Zk= Z1+ 0.5*（V1+Vk）（Tk- T1），其它插帧时刻的Z值计算同理。

[0049] 本发明所述的动态插帧，一方面是指插帧构建曲面是动态连续的过程，另一方面是指插帧构建的曲面是动态变化的，并不是均匀的变化，即插值算法采用非均匀插值算法。

[0050] 插值算法有两种，平均插值和非均匀插值。平均插值即将空间变化速度看成均匀变化的；非均匀插值就是每段时间内空间变化的加速度是均匀的，空间变化速度是动态变化的。图4将两种插值算法反应到空间变化量上，可以清晰地对比跳跃与平滑过渡情况。如果采用平均插值，如图4中（a），即每一年内的沉降变化是均匀的，但在每两个时间段的过度时刻，沉降变化量上可能相差太大，存在跳跃问题。如果采用非均匀插值，如图4中（b），即每一年内的沉降变化的加速度是均匀的，则每一年内的沉降变化速度就是动态变化的，这样就可以实现插帧的平滑过渡，避免跳跃情况。