本发明专利技术公开一种基于Sphere‑Board的树木三维可视化实现方法，主要解决现有布告板(Billboard)或十字面板(Crossing Plane)模型中在俯视情况下会出现的走样现象、模型的立体感差以及光照计算难实现等问题。模型采用类球曲面对树冠整体进行几何逼近，对于枝叶等更多细节则通过纹理合成方法进行表达；考虑到用类球曲面表达树冠时，其投影轮廓边缘过于光滑与连续，会降低树冠边缘的视觉真实感，故对渲染后树冠边缘增加形状重塑过程。该模型适用于树冠形态比较规整，枝叶密集无孔洞的树种。方法包括如下主要步骤：获取树冠特征点，生成逼近树冠几何形态的类球曲面；利用曲面纹理合成技术完成纹理坐标的计算；动态提取渲染后的树冠轮廓边缘并对其进行形状重塑。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及计算机应用、计算机图形学和地理信息
，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，将基于本专利技术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。
技术介绍
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。De Reffye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。Long Quan等人(2006)和Ping Tan等人(2007)皆使用Structure From Mot1n (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，难以达到实时清染与交互的需求。基于图像的清染(Image-Based Rendering，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(BiIIboard)模型和十字面板(Crossing Plane)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。
技术实现思路
专利技术目的: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(Crossing Plane)模型，几何复杂度低、清染性能优越，但存在明显的视觉缺陷，本专利技术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:为实现上述专利技术目的，本专利技术采用如下技术方案: 一种，该方法采用类球曲面对树冠整体形态进行逼近表达，对于枝叶等更多细节内容则通过纹理合成方法进行表达；考虑至IJ，类球曲面投影到屏幕上的边缘部分过于光滑与连续，在表达树冠时，会降低树冠边缘的视觉真实感，对渲染后的树冠边缘增加形状重塑等处理过程，使得其表现出不规则的随机形态，从而增强真实感。该方法主要包括如下步骤: 第一步:获取树冠特征点，根据特征点构建与树冠形态逼近的三维类球曲面； 第二步:提取树冠纹理样本，为树冠曲面顶点在样本空间计算纹理坐标； 第三步:将树木三维模型渲染到临时缓存，进行树冠轮廓提取，对提取到的轮廓边缘进行形状重塑； 第四步:将轮廓边缘重塑后的树木集成到场景。作为优选，所述第一步中的树冠类球曲面生成方法包括: (1.0提取每一视点下的树木图像的树冠轮廓像素；(1.2)对每一视点下的树冠轮廓像素进行垂直等距采样，将其作为树冠轮廓特征点；(1.3)若存在多视点下的树木图像，则结合树木图像拍摄角度，由不同视点下的树冠轮廓特征点生成能反映树冠几何形态的三维特征点云；若仅有单张树木图像，则将得到的树冠轮廓特征点通过旋转计算生成三维特征点云并对特征点坐标进行有约束范围的随机扰动； (1.4)根据三维特征点云生成树冠曲面，曲面采用三角面片和四边形面片的组合方式。进一步地，所述步骤(1.3)中对特征点的扰动范围用椭球大小进行限制，所述椭球的水平半径取值为初始相邻特征点之间的间隔的一半，垂直半径取值为特征点垂直取样间隔的一半。作为优选，所述第二步中采用基于纹理延伸和三角块拼接的快速曲面纹理合成算法计算纹理坐标，主要包括: (2.1)定义相邻多边形边界，确定多边形的约束度，所述多边形包括三角形和四边形；(2.2)对于约束度为I的多边形，将采用纹理延伸的方法计算纹理坐标；对于约束度大于I的多边形，将采用边界匹配的方法计算纹理坐标。作为优选，所述第三步中的树冠轮廓边缘形状重塑方法包括: (3.1)将完成树冠曲面生成和纹理合成后得到的树木三维模型渲染到临时缓存，逐像素记录颜色值和深度值； (3.2)根据背景区域像素和树木区域像素深度值的不同，判断像素是否为树木区域像素，若其上、左、下或右方位存在一个或多个背景像素，则判定该像素为轮廓像素； (3.3)从提取到的树冠轮廓像素中选择其周边仅有一个背景像素的轮廓像素作为根像素； (3.4)对于每个根像素进行累计生长长度受限的随机生长，每个新生像素的生长方向从一个预定义范围中随机取值，颜色和深度直接取用当前根像素的颜色值和深度值。 进一步地，所述步骤(3.4)中的累计生长长度采用约束范围内的随机值，该约束范围在三维浏览中，根据根像素的实时深度值动态调整。作为优选，所述第四步中将轮廓边缘重塑后的树木集成到场本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于Sphere‑Board的树木三维可视化模型实现方法，其特征在于，所述模型采用类球曲面逼近树冠整体几何形态，通过纹理合成表达枝叶细节，并对树木渲染结果进行轮廓边缘形状重塑，以增强其真实感，所述方法包含如下步骤：第一步：获取树冠特征点，根据特征点构建与树冠形态逼近的三维类球曲面；第二步：提取树冠纹理样本，为树冠曲面顶点在样本空间计算纹理坐标；第三步：将树木三维模型渲染到临时缓存，进行树冠轮廓提取，对提取到的轮廓边缘进行形状重塑；第四步：将轮廓边缘重塑后的树木集成到三维场景中。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：佘江峰，郭星辰，谈心，刘建龙，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。