[发明专利]基于Sphere-Board的树木三维可视化模型实现方法

说明书

技术领域

本发明涉及计算机应用、计算机图形学和地理信息技术领域，具体涉及一种基于Sphere-Board（类球曲面）的树木三维可视化模型实现方法，对树冠整体采用类球曲面表达，对枝叶细节内容采用纹理合成方法表达。该模型体现了对模型真实感和渲染性能追求的平衡。实验证明，将基于本发明方法生成的树木模型应用于三维场景中时，既能满足视觉效果上对真实感的要求，又能保证场景的实时渲染和流畅交互。

背景技术

对树木的建模和渲染一直是计算机图形学和虚拟现实领域中的研究热点和难点之一。基于不同的研究侧重点，研究者们先后提出了具有不同几何复杂度的树木三维可视化表示方法。

从树木建模角度对树木三维可视化方法分类，可分为：基于规则的和基于图像的方法。基于规则的方法，一般需要根据复杂的规则和语法作为驱动总则生成树木模型，尽管在视觉真实感和模型可编辑方面有所突破，但是该类型方法往往需要研究者具备一定的植物学知识，用于构建符合植物生长规律的规则。Prusinkiewicz等人（1994）根据L-system的思想开展了一些相关研究。Weber等人（1995）根据一整套的几何规则生成了颇具真实感的树木模型。DeReffye等人（1998）也根据植物学知识使用一整套规则来模拟树木。所有基于规则的树木建模方法背后的思想是树枝和树叶的空间形态和分布可以根据一系列的规则和参数进行预测和控制的。然而这些规则和参数一般都是很难建立的。另外，该类方法难以实现对真实树木对象的三维重建。近些年，基于图像的方法由于无需植物学知识的支持和相应规则的制定，颇受研究者推崇。它是以拥有单幅或多幅植物图像为前提，采用相应的算法，从图像中的二维特征信息推算相应的三维空间特征信息，最终重构出植物的三维模型。例如，Shlyakter等人（2001）首先根据多幅图像生成一个可视化的外壳，用其来限制基于L-system的树木生长机制。Han等人（2003）仅用单张图像生成树木模型，但是其可重构的树木类型是相当受限的。LongQuan等人（2006）和PingTan等人（2007）皆使用StructureFromMotion(SFM)恢复相机参数和植物的三维点云，然后使用三维点云重构枝叶。虽然取得了较好的可视化效果，但是至少需要10~20张图像作为输入，对于户外的大型树木进行多角度采集图像通常是比较困难的，故该方法一般适用于小型的盆栽植物。

树木的渲染原型直接影响可视化效果和渲染性能，根据渲染原型可将树木三维可视化方法分为基于图形和基于图像两大类。计算机图形表示大多是基于图形的。基于图形的方法一般适用于自身几何形状比较规则的物体。对于树木这类极其复杂的自然对象，若完全采用基于图形的方式，将会产生数以千万计的多边形面片。这将会占用极大的系统资源，难以达到实时渲染与交互的需求。基于图像的渲染（Image-BasedRendering，IBR）已经成为渲染场景的主要方法。该类方法一般采用单个或有限多个简单的几何体形状表示物体，然后通过纹理图像来表达更多的物体细节信息。该类方法大幅度地简化了模型的几何复杂度，提高了渲染效率。在基于IBR的树木表达模型中，被广泛采用的有布告板（Billboard）模型和十字面板（CrossingPlane）模型。其中，布告板（Billboard）模型通过将单张树木图像映射到矩形面板上，然后动态调整面板方向使其尽量朝向视点来实现树木三维可视化表达；而十字面板模型是将树木图像映射到两个垂直交叉的面板上完成树木的表达。对于上述两种树木模型，其最大的优点就是几何模型简单和渲染性能优越，但同时也难以避免一些缺陷。首先，这两种模型立体感较差；其次，模型本身是二维面板，光照计算难以实现；另外，当视点处于模型上方，从天空往下俯视时，会出现不同程度的视觉走样现象，如强烈的面片感、十字缝隙感，甚至出现模型消失现象。

发明内容

发明目的：针对现有的树木三维可视化方法存在的问题，如有的模型视觉真实感较好，但模型几何复杂度高，难以实现实时渲染与交互；有的简化模型，如布告板（Billboard）模型和十字面板（CrossingPlane）模型，几何复杂度低、渲染性能优越，但存在明显的视觉缺陷，本发明提供一种兼顾视觉效果和渲染性能的树木三维可视化模型，既能满足视觉上的真实感要求，同时模型几何复杂度也不高，能够满足应用中场景实时交互的需求。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：