[發明專利]針葉類植物冠層的層次細節模型構造方法

有效

• 申請號: 200810056255.4
• 申請日: 2008-01-16
• 公開（公告）號: CN101488235A
• 公開（公告）日: 2009-07-22
• 發明（設計）人: 張曉鵬;鄧擎瓊
• 申請（專利權）人: 中國科學院自動化研究所
• 主分類號: G06T17/10
• 分類號: G06T17/10;G06T17/00
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司
• 代理人: 周國城

技術領域

本發明屬于計算機圖形學與數字農林學相結合的交叉學科研究成果。適用于針葉類這一特殊而常見的植物物種的快速繪制。可用于城市可視化，園林設計，飛行模擬，虛擬現實和電腦游戲等應用中，以及輔助農林學家可視化其研究對象。

背景技術

植物場景的繪制是計算機圖形學中一個重要的課題。許多涉及到戶外場景的應用，如城市規劃，園林設計等，都需要在已有場景中增加植物模型，并對它們進行渲染，以增強繪制結果的真實感。但植物通常具有繁多的幾何細節，它們的加入將導致繪制速度下降而達不到實時的要求。因此在保證真實感的前提下如何提高繪制速度是一個關鍵問題。如果場景中包含了針葉類植物，該問題會更加突出。這是因為相對于其他同齡的或同體積大小的植物物種，針葉類植物包含更多的樹葉和樹枝。此外，細小的針葉在繪制時會帶來嚴重的走樣現象，而反走樣處理會增加繪制的負擔，進一步降低繪制效率。

為了提高植物場景的繪制速度，人們陸續提出了各種算法。大部分算法采用紋理圖像代替原復雜幾何模型來加速繪制。典型代表為Rohlf和Helman?1994年采用的廣告牌方法(Billboard)。該方法通常在預處理中確定一系列采樣視點，在每一個視點方向，對植物體進行繪制，并把繪制結果作為紋理圖像保存下來。而在實時繪制時，根據當前視點信息，找到與其最鄰近的采樣視點，然后對這些采樣視點相對應的紋理圖像進行插值，插值得到的圖像即作為當前視點的渲染結果圖像。在所有植物繪制的加速算法中，基于圖像的算法繪制速度最快，且繪制時間與植物場景的幾何復雜度無關。但是這種方法需要消耗很大的內存來存儲紋理圖像，并且因為缺少植物的幾何信息，繪制近距離植物時真實感和視差效果都較差。圖2(a)和圖2(b)顯示了用此方法繪制森林時的結果圖，其中圖2(a)為繪制近距離樹木的結果，圖2(b)為繪制遠處樹木的結果。另外有人采用點代替三角形來描述在圖像空間的投影面積小于一個象素的樹葉。這種方法具有很高的繪制效率。但它只適用于遠距離植物的繪制；并且它會平滑掉植物的一些尖銳特征，降低繪制結果的真實度；此外離散的點還會破壞植物的拓撲結構。圖3(a)和圖3(b)分別為Deussen在2002年采用的基于點的方法繪制草地和森林時結果圖。最近幾年，針對植物，提出了基于多邊形的方法。多邊形，特別是三角形模型一直是計算機圖形學的主流模型，因此人們在面片簡化方面研究很深入，提出了很多成熟的層次細節算法，如vertex?decimation，edge?collapse，vertex?clustering等。但由于樹木特殊的屬性，這些算法通常可以用于樹干的簡化，對于樹葉部分，則會產生錯誤的結果。為彌補這一缺陷，針對樹葉，從2002年起，Remolar等人陸續提出了幾種簡化算法。其關鍵步驟稱之為leafcollapse，即用一個新的葉子代替原來的兩片葉子(如圖4所示)。通過迭代地進行leaf?collapse操作，就能不斷減少用于表示樹葉的多邊形的數目，同時保持樹冠外形(如圖5(a)和圖5(b)所示，其中圖5(a)為原始模型，圖5(b)為使用leaf?collapse簡化后的模型)。但這類方法繪制效率很低，而且只適合闊葉類樹葉的簡化，在簡化針葉類植物時，不能忠實地保持它們的物種特征(如圖11(a)、圖11(b)和圖11(c)所示)。

以上介紹的是一般性的方法，適用于所有的植物物種。此外也有人針對針葉類植物，專門提出了一些繪制算法。這些算法通常采用圓柱模型(Disney等，2006年)或者橢圓體模型(Smolander等，2003年)來描述針葉，如圖6(a)、圖6(b)、圖6(c)和圖6(d)所示。其中圖6(a)和圖6(b)分別為采用橢圓體模型表示針葉后在45度視角和俯視情況下的結果圖；圖6(c)和圖6(d)分別為采用圓柱模型表示針葉后在45度視角和俯視情況下的結果圖。這兩種表示方法在繪制近距離的針葉時能取得很真實的結果。但由于它們是靜態模型，因此存在繪制代價高，效率低下的問題。而且無論是采用圓柱模型還是橢圓體模型，當針葉距離視點很遠時，都會產生嚴重的走樣現象，導致漫游時圖片不停閃爍。為了改善這一問題，Meyer等人在2000年根據樹的拓撲結構，在預處理階段對針葉建立了三級離散的層次細節模型。第一級模型采用圓柱表示每一根針葉；第二級模型用圓錐表示一束針葉；最后一級模型采用圓柱表示一根樹枝上的所有針葉(如圖7所示)。在繪制階段，則根據樹木與視點之間的距離，自動采用三級模型中的某一級來表示針葉。該方法能夠提高繪制速度，且能克服走樣現象。但由于采用的是離散的層次細節模型，這導致在從一級層次過渡到另一級時，會出現明顯的跳躍現象。