基于Sphere-Board的樹木三維可視化模型實(shí)現(xiàn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及計(jì)算機(jī)應(yīng)用、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和地理信息技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于Sphere-Board (類球曲面)的樹木三維可視化模型實(shí)現(xiàn)方法，對(duì)樹冠整體采用類球曲面表達(dá)，對(duì)枝葉細(xì)節(jié)內(nèi)容采用紋理合成方法表達(dá)。該模型體現(xiàn)了對(duì)模型真實(shí)感和渲染性能追求的平衡。實(shí)驗(yàn)證明，將基于本發(fā)明方法生成的樹木模型應(yīng)用于三維場景中時(shí)，既能滿足視覺效果上對(duì)真實(shí)感的要求，又能保證場景的實(shí)時(shí)渲染和流暢交互。
【背景技術(shù)】
[0002]對(duì)樹木的建模和渲染一直是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)之一。基于不同的研究側(cè)重點(diǎn)，研究者們先后提出了具有不同幾何復(fù)雜度的樹木三維可視化表示方法。
[0003]從樹木建模角度對(duì)樹木三維可視化方法分類，可分為:基于規(guī)則的和基于圖像的方法?；谝?guī)則的方法，一般需要根據(jù)復(fù)雜的規(guī)則和語法作為驅(qū)動(dòng)總則生成樹木模型，盡管在視覺真實(shí)感和模型可編輯方面有所突破，但是該類型方法往往需要研究者具備一定的植物學(xué)知識(shí)，用于構(gòu)建符合植物生長規(guī)律的規(guī)則。Prusinkiewicz等人(1994)根據(jù)L_system的思想開展了一些相關(guān)研究。Weber等人(1995)根據(jù)一整套的幾何規(guī)則生成了頗具真實(shí)感的樹木模型。De Reffye等人(1998)也根據(jù)植物學(xué)知識(shí)使用一整套規(guī)則來模擬樹木。所有基于規(guī)則的樹木建模方法背后的思想是樹枝和樹葉的空間形態(tài)和分布可以根據(jù)一系列的規(guī)則和參數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)和控制的。然而這些規(guī)則和參數(shù)一般都是很難建立的。另外，該類方法難以實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)樹木對(duì)象的三維重建。近些年，基于圖像的方法由于無需植物學(xué)知識(shí)的支持和相應(yīng)規(guī)則的制定，頗受研究者推崇。它是以擁有單幅或多幅植物圖像為前提，采用相應(yīng)的算法，從圖像中的二維特征信息推算相應(yīng)的三維空間特征信息，最終重構(gòu)出植物的三維模型。例如，Shlyakter等人(2001)首先根據(jù)多幅圖像生成一個(gè)可視化的外殼，用其來限制基于L-system的樹木生長機(jī)制。Han等人(2003)僅用單張圖像生成樹木模型，但是其可重構(gòu)的樹木類型是相當(dāng)受限的。Long Quan等人(2006)和Ping Tan等人(2007)皆使用Structure From Mot1n (SFM)恢復(fù)相機(jī)參數(shù)和植物的三維點(diǎn)云，然后使用三維點(diǎn)云重構(gòu)枝葉。雖然取得了較好的可視化效果，但是至少需要10~20張圖像作為輸入，對(duì)于戶外的大型樹木進(jìn)行多角度采集圖像通常是比較困難的，故該方法一般適用于小型的盆栽植物。
[0004]樹木的渲染原型直接影響可視化效果和渲染性能，根據(jù)渲染原型可將樹木三維可視化方法分為基于圖形和基于圖像兩大類。計(jì)算機(jī)圖形表示大多是基于圖形的?；趫D形的方法一般適用于自身幾何形狀比較規(guī)則的物體。對(duì)于樹木這類極其復(fù)雜的自然對(duì)象，若完全采用基于圖形的方式，將會(huì)產(chǎn)生數(shù)以千萬計(jì)的多邊形面片。這將會(huì)占用極大的系統(tǒng)資源，難以達(dá)到實(shí)時(shí)清染與交互的需求。基于圖像的清染(Image-Based Rendering，IBR)已經(jīng)成為渲染場景的主要方法。該類方法一般采用單個(gè)或有限多個(gè)簡單的幾何體形狀表示物體，然后通過紋理圖像來表達(dá)更多的物體細(xì)節(jié)信息。該類方法大幅度地簡化了模型的幾何復(fù)雜度，提高了渲染效率。在基于IBR的樹木表達(dá)模型中，被廣泛采用的有布告板(BiIIboard)模型和十字面板(Crossing Plane)模型。其中，布告板(Billboard)模型通過將單張樹木圖像映射到矩形面板上，然后動(dòng)態(tài)調(diào)整面板方向使其盡量朝向視點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)樹木三維可視化表達(dá)；而十字面板模型是將樹木圖像映射到兩個(gè)垂直交叉的面板上完成樹木的表達(dá)。對(duì)于上述兩種樹木模型，其最大的優(yōu)點(diǎn)就是幾何模型簡單和渲染性能優(yōu)越，但同時(shí)也難以避免一些缺陷。首先，這兩種模型立體感較差；其次，模型本身是二維面板，光照計(jì)算難以實(shí)現(xiàn)；另外，當(dāng)視點(diǎn)處于模型上方，從天空往下俯視時(shí)，會(huì)出現(xiàn)不同程度的視覺走樣現(xiàn)象，如強(qiáng)烈的面片感、十字縫隙感，甚至出現(xiàn)模型消失現(xiàn)象。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]發(fā)明目的:針對(duì)現(xiàn)有的樹木三維可視化方法存在的問題，如有的模型視覺真實(shí)感較好，但模型幾何復(fù)雜度高，難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)渲染與交互；有的簡化模型，如布告板(Billboard)模型和十字面板(Crossing Plane)模型，幾何復(fù)雜度低、清染性能優(yōu)越，但存在明顯的視覺缺陷，本發(fā)明提供一種兼顧視覺效果和渲染性能的樹木三維可視化模型，既能滿足視覺上的真實(shí)感要求，同時(shí)模型幾何復(fù)雜度也不高，能夠滿足應(yīng)用中場景實(shí)時(shí)交互的需求。
[0006]技術(shù)方案:為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
一種基于Sphere-Board的樹木三維可視化模型實(shí)現(xiàn)方法，該方法采用類球曲面對(duì)樹冠整體形態(tài)進(jìn)行逼近表達(dá)，對(duì)于枝葉等更多細(xì)節(jié)內(nèi)容則通過紋理合成方法進(jìn)行表達(dá)；考慮至IJ，類球曲面投影到屏幕上的邊緣部分過于光滑與連續(xù)，在表達(dá)樹冠時(shí)，會(huì)降低樹冠邊緣的視覺真實(shí)感，對(duì)渲染后的樹冠邊緣增加形狀重塑等處理過程，使得其表現(xiàn)出不規(guī)則的隨機(jī)形態(tài)，從而增強(qiáng)真實(shí)感。該方法主要包括如下步驟:
第一步:獲取樹冠特征點(diǎn)，根據(jù)特征點(diǎn)構(gòu)建與樹冠形態(tài)逼近的三維類球曲面；
第二步:提取樹冠紋理樣本，為樹冠曲面頂點(diǎn)在樣本空間計(jì)算紋理坐標(biāo)；
第三步:將樹木三維模型渲染到臨時(shí)緩存，進(jìn)行樹冠輪廓提取，對(duì)提取到的輪廓邊緣進(jìn)行形狀重塑；
第四步:將輪廓邊緣重塑后的樹木集成到場景。
[0007]作為優(yōu)選，所述第一步中的樹冠類球曲面生成方法包括:
(1.0提取每一視點(diǎn)下的樹木圖像的樹冠輪廓像素；
(1.2)對(duì)每一視點(diǎn)下的樹冠輪廓像素進(jìn)行垂直等距采樣，將其作為樹冠輪廓特征點(diǎn)；(1.3)若存在多視點(diǎn)下的樹木圖像，則結(jié)合樹木圖像拍攝角度，由不同視點(diǎn)下的樹冠輪廓特征點(diǎn)生成能反映樹冠幾何形態(tài)的三維特征點(diǎn)云；若僅有單張樹木圖像，則將得到的樹冠輪廓特征點(diǎn)通過旋轉(zhuǎn)計(jì)算生成三維特征點(diǎn)云并對(duì)特征點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行有約束范圍的隨機(jī)擾動(dòng)；
(1.4)根據(jù)三維特征點(diǎn)云生成樹冠曲面，曲面采用三角面片和四邊形面片的組合方式。
[0008]進(jìn)一步地，所述步驟(1.3)中對(duì)特征點(diǎn)的擾動(dòng)范圍用橢球大小進(jìn)行限制，所述橢球的水平半徑取值為初始相鄰特征點(diǎn)之間的間隔的一半，垂直半徑取值為特征點(diǎn)垂直取樣間隔的一半。
[0009]作為優(yōu)選，所述第二步中采用基于紋理延伸和三角塊拼接的快速曲面紋理合成算法計(jì)算紋理坐標(biāo)，主要包括:
(2.1)定義相鄰多邊形邊界，確定多邊形的約束度，所述多邊形包括三角形和四邊形；(2.2)對(duì)于約束度為I的多邊形，將采用紋理延伸的方法計(jì)算紋理坐標(biāo)；對(duì)于約束度大于I的多邊形，將采用邊界匹配的方法計(jì)算紋理坐標(biāo)。
[0010]作為優(yōu)選，所述第三步中的樹冠輪廓邊緣形狀重塑方法包括:
(3.1)將完成樹冠曲面生成和紋理合成后得到的樹木三維模型渲染到臨時(shí)緩存，逐像素記錄顏色值和深度值；
(3.2)根據(jù)背景區(qū)域像素和樹木區(qū)域像素深度值的不同，判斷像素是否為樹木區(qū)域像素，若其上、左、下或右方位存在一個(gè)或多個(gè)背景像素，則判定該像素為輪廓像素；
(3.3)從提取到的樹冠輪廓像素中選擇其周邊僅有一個(gè)背景像素的輪廓像素作為根像素；
(3.4)對(duì)于每個(gè)根像素進(jìn)行累計(jì)生長長度受限的隨機(jī)生長，每個(gè)新生像素的生長方向從一個(gè)預(yù)定義范圍中隨機(jī)取值，顏色和深度直接取用當(dāng)前根像素的顏色值和深度值。
[0011 ] 進(jìn)一步地，所述步驟(3.4)中的累計(jì)生長長度采用約束范圍內(nèi)的隨機(jī)值，該約束范圍在三維瀏覽中，根據(jù)根像素的實(shí)時(shí)深度值動(dòng)態(tài)調(diào)整。
[0012]作為優(yōu)選，所述第四步中將輪廓邊緣重塑后的樹木集成到場景的方法為:對(duì)經(jīng)樹冠輪廓邊緣重塑后的樹木圖像和幀緩存中已渲染好的場景圖像進(jìn)行逐像素深度值比較，如果樹木圖像中像素的深度值小于場景圖像中對(duì)應(yīng)像素的深度值，則采用該樹木圖像像素的色彩值更新場景圖像中對(duì)應(yīng)像素的色彩值，從而實(shí)現(xiàn)樹木效果與場景效果的集成。
[0013]本發(fā)明的創(chuàng)新點(diǎn)在于:基于Sphere-Board的樹木三維可視化模型在視覺真實(shí)感和渲染性能上做到了合理平衡，樹冠結(jié)構(gòu)采用類球曲面逼近，不丟失其整體幾何形態(tài)，而其枝葉細(xì)節(jié)則通過紋理合成方法進(jìn)行呈現(xiàn)。在使用類球曲面表達(dá)樹冠形態(tài)時(shí)，由于渲染后的邊緣過于光滑與連續(xù)，會(huì)造成視覺不夠真實(shí)的現(xiàn)象，對(duì)此提出了基于圖像空間的輪廓邊緣形狀重塑方法，以增強(qiáng)其真實(shí)感。本模型解決了布告板(Billboard)樹木模型和十字面板(Crossing Plane)樹木模型存在的多種視覺缺陷，兼顧滿足了視覺效果和清染性能的雙重需求。
[0014]有益效果:與現(xiàn)有樹木三維可視化模型相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn):
1、本發(fā)明模型既考慮了整體幾何形態(tài)以及局部細(xì)節(jié)的逼真度，同時(shí)兼顧了實(shí)時(shí)交互的需要，采用具有較少幾何復(fù)雜度的類球曲面表達(dá)樹冠形態(tài)，利用紋理合成方法實(shí)現(xiàn)曲面上的枝葉細(xì)節(jié)表達(dá)，在模型視覺真實(shí)感和渲染性能上取得了較好的平衡。該發(fā)明是一種在理論基礎(chǔ)和技術(shù)路線上都有創(chuàng)新的模型；
2、與詳細(xì)表達(dá)的樹木模型相比，本發(fā)明模型幾何復(fù)雜度低，渲染性能優(yōu)越。
[0015]3、與廣泛米用的布告板(Billboard)樹木模型和十字面片(Crossing Plane)樹木模型相比，本發(fā)明模型在不同視點(diǎn)下，能保持合理的視覺效果，立體感強(qiáng)，且能實(shí)現(xiàn)光照效果豐吳擬。
[0016]4、對(duì)于使用連續(xù)曲面表達(dá)像樹冠這類自然對(duì)象時(shí)所出現(xiàn)的由于輪廓邊緣過于連續(xù)與光滑造成的視覺真實(shí)感弱的現(xiàn)象，提出了基于圖像空間的輪廓邊緣形狀重塑方法，增強(qiáng)了樹冠輪廓邊緣的不規(guī)則隨機(jī)感和視覺真實(shí)感。
【附圖說明】
[0017]圖1為基于Sphere-Board的樹冠曲面生成原理圖；
圖2為本發(fā)明方法的總體流程圖；
圖3為根據(jù)樹木圖像生成樹冠曲面示意圖:(a)根據(jù)單視點(diǎn)圖像得到樹冠輪廓特征點(diǎn)，將其旋轉(zhuǎn)并加擾動(dòng)處理生成三維特征點(diǎn)云；(b)根據(jù)多視點(diǎn)圖像生成三維特征點(diǎn)云。
[0018]圖4為待合成多邊形的約束度類型和相鄰紋理塊的邊界類型示意圖；
圖5為不同約束度下紋理合成方法示意圖；
圖6為基于圖像空間的樹冠輪廓重塑過程相關(guān)示意圖；
圖7為將輪廓邊緣處理后的樹木模型放