[发明专利]基于深度检索的树木建模方法

说明书

技术领域

本发明属于计算机图形学和计算机视觉技术领域，涉及一种根据草图进行树木建模的方法。

背景技术

计算机游戏设计、三维电影制作等应用领域需要大量具有逼真视觉效果或者特殊视觉效果的植物模型。植物建模系统在这些领域中的应用要满足建模速度和视觉效果两个方面的要求。因此研究使用方便、运行速度快、可以随心所欲改变模型效果的植物建模方法对实际应用具有重要意义。

目前的植物建模方法大致可分为四大类：

第一类是基于植物学知识对植物形态进行建模的方法。这类方法主要考虑植物生长规律，如Lindenmayer提出的L系统；

第二类是基于图像的植物建模方法。这类方法以植物图片作为输入信息，通过各种视觉重建方法构建植物模型，如2006年Quan提出的植物建模方法；

第三类是基于三维扫描的植物建模方法。这类方法以三维扫描数据作为输入构建植物模型，如2006年Xu提出的树木建模方法；

第四类是基于手工交互的植物建模方法。这类方法以用户勾画的二维草图作为输入，或通过三维交互直接控制输出的三维模型形状，如2005年Okabe提出的植物建模方法。

基于生长机理的方法适用于生长模拟、农业分析等，但是一般需要调整参数，不便于控制输出，因此不适用于真实植物建模；基于三维扫描的方法以树的三维扫描数据作为输入，几何信息丰富，精度高，适用于对模型精度要求较高的应用，但三维扫描设备价钱昂贵，扫描过程花费时间较长，三维数据量大，不适于快速建模；基于图像的方法输入信息获取方便，建模方法灵活，可适用于各种精度要求的应用，但它比基于三维扫描的建模精度低；基于手工交互的方法是一种更加灵活的方法，可用于树模型的设计。

发明内容

本发明的目的在于，针对现实世界中存在的树木，提供一个基于图像和草图的、能够反映树木主要形态的快速建模方法，并使该方法可用于各种树木模型设计。

为实现上述目的，本发明提供一种基于深度检索的树木建模方法，该树木建模方法的步骤包括：

步骤1：用户在两幅树木图片上用单像素画笔或者画刷手工勾画出具有树冠轮廓、具有不同的主枝笔画的树木草图，将具有不同的主枝笔画的两幅草图输入到图像处理设备；

步骤2：图像处理设备对草图中每个主枝笔画像素的近邻像素进行分析，从而提取二维骨架；

步骤3：对两个二维骨架进行深度检索，构建三维主枝骨架，使该三维骨架在两个输入方向的平行投影满足二维骨架约束；

步骤4：以构建的三维主枝骨架为模版，在二维树冠轮廓约束内，通过主枝的复制、平移、旋转操作构建第一级细枝骨架，然后以第一级细枝骨架为模版按相同方法构建第二级细枝骨架，依此类推，得到指定级数的细枝骨架；

步骤5：根据对骨架切向量、法向量和副法向量的估算创建广义圆柱，通过圆柱拟合得到树枝的几何模型；

步骤6：在树枝几何模型上添加叶子或水果完成整个树木模型，每个叶子或水果由映射了一个四通道图像纹理的四边形来表示，将一个序列的叶子模型放置到细枝骨架点上，然后在叶子位置、叶子朝向以及叶与枝的距离参数中引入随机因素。

其中，述树木图片是反映树木侧面形态的图片。

其中，针对单像素的笔画采用局部分析和连接的方法提取二维骨架。

其中，针对具有半径信息的画刷笔画通过笔画像素扫描、中心点判别、中心点简化以及骨架点连接提取二维骨架。

其中，所述二维骨架具有子家族特征、父家族特征、最大扩展高度特征和父家族路径特征。

其中，所述深度检索方法是通过特征匹配查找两个二维骨架的对应枝，将每对对应枝的一枝作为深度信息，将另一枝扩展到三维空间。

其中，从两个对应枝构建一个三维枝前，需要对两个对应枝进行连通性判断和枝的延长。

其中，两个对应枝的每对对应点具有相同的纵坐标，从两个对应点构建一个三维点的过程是取其中一个点的X轴、Y轴坐标作为三维点的X轴、Y轴坐标，取另一个点的X轴坐标作为三维点的Z轴坐标。

其中，通过复制部分父枝并在一定的夹角约束范围内，将复制的部分父枝连接到父枝节点上得到相应子枝。

本发明的有益效果是提出了一种基于图像和草图的快速建模新方法，该方法利用图像信息和智能交互构建三维形态。本发明与前人方法的区别主要体现在二维信息的匹配不是通过图像配准和相机标定，而是通过枝的特征分析和特征匹配，因此，本发明的计算时间和模型效果较以往方法优越，实验表明，构造的树木模型保留了二维输入信息，并具有真实感。