[發明專利]一種基于視點互信息的三維樹木模型實時簡化方法

有效

• 申請號: 202010455416.8
• 申請日: 2020-05-26
• 公開（公告）號: CN111462318B
• 公開（公告）日: 2022-05-17
• 發明（設計）人: 佘江峰;王超凡;李夢瑤;陳博;王標
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: G06T17/00
• 分類號: G06T17/00;G06T15/30
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 孟紅梅

1.一種基于視點互信息的三維樹木模型實時簡化方法，其特征在于，包含以下步驟：

(1)按照樹枝間的拓撲關系將樹木劃分為多個具有父子關系的節點，節點包括樹枝節點與樹葉節點，其中樹葉節點為末級樹枝節點的子節點；

(2)根據視點互信息VMI計算樹葉節點中每片樹葉的視覺重要度，并據此在頂點數組中從大到小重新排列樹葉的頂點數據；

(3)根據VMI對樹枝模型進行簡化，以生成細節層次LOD模型，在頂點數組中按照LOD模型的順序排列頂點數據；

(4)在實時運行過程中，根據樹冠包圍球層級、樹枝層級、樹葉密度、視點與樹葉之間的距離和視線與樹枝生長方向的夾角確定節點的簡化率；所述簡化率由樹冠包圍球層級計算函數、樹枝層級計算函數、樹葉密度計算函數、視點與樹葉之間的距離計算函數、視線與樹枝生長方向的夾角計算函數的加權和確定；

(5)在實時渲染大規模森林場景時，采用的渲染優化措施包括：控制近處節點的LOD變化幅度以及遠處節點的LOD變化頻率，從而減少LOD切換；只有當簡化率變化量Δrate以及該簡化率保持不變的時間Δtime_last都滿足如下公式時，節點的LOD才會被更新；

其中near、far分別代表最精細和最粗糙LOD所對應的距離閾值，k₄、k₅均大于0，分別用來控制Δrate，Δtime_last隨距離變化的強度；實時放縮樹葉的幾何尺寸以降低簡化過程造成的視覺信息的缺失，在幾何著色器中根據簡化率R_s的變化將樹葉放大1.0/(1-R_s)倍，保證樹木不同LOD模型之間的視覺一致性；在遠景中利用泊松表面重建算法構建輪廓模型表達樹冠模型。

2.根據權利要求1所述的基于視點互信息的三維樹木模型實時簡化方法，其特征在于，步驟(1)中具體包括：

(1.1)在樹木建模時記錄下樹枝間的拓撲關系，以及每個樹枝的長度、樹枝層級、樹枝中所生長的樹葉數據信息；

(1.2)為每個樹枝節點構建一個結構體數據結構，結構體中包括節點的上述屬性信息，幾何信息，渲染狀態信息，以及用以分別存儲父節點和子節點結構體指針的兩個動態數組；

(1.3)根據樹枝間的拓撲關系確定節點的父節點和子節點的指針。

3.根據權利要求1所述的基于視點互信息的三維樹木模型實時簡化方法，其特征在于，步驟(2)中根據VMI計算樹葉的視覺重要度是在屏幕空間中進行的，節點之間相互獨立，具體步驟包括：

(2.1)在樹木周圍放置N_v個視點，所有的視點集合為V，以v索引；某一物體中所有的幾何面片集合為o，o代表單個面片，則物體O在某一視點v下的整體可見性為：

其中p(o|v)表示面片o在視點v下的可見性的條件概率，p(o)表示面片o在所有視點下的平均可見性，這里的節點可見性是根據屏幕空間中的像素的占比來決定的；

(2.2)當一個節點由于移除某一片樹葉由O變為O′時，由此帶來的VMI誤差為：

如果e_VMI越大，則說明移除該片樹葉在視覺上對整個樹葉節點O的可見性影響越大，因此該片樹葉在視覺感知上也就越為重要；

(2.3)根據e_VMI的值的大小判斷某一片樹葉的視覺重要度，并據此在頂點數組中從大到小對樹葉進行排序。

4.根據權利要求1所述的基于視點互信息的三維樹木模型實時簡化方法，其特征在于，步驟(3)中為樹枝模型生成多個LOD模型，其中較精細的LOD模型在粗糙LOD模型的基礎上添加一些補充的數據構建，在樹枝模型的頂點數組中按照LOD模型的順序排列頂點，同一LOD模型的頂點排列在一起；在渲染過程中根據不同的索引數組來確定要渲染的LOD模型。

5.根據權利要求1所述的基于視點互信息的三維樹木模型實時簡化方法，其特征在于，步驟(4)中節點的實時簡化率由五個簡化率影響因子確定：樹冠包圍球層級BSL、樹枝層級BL、樹葉密度LD、視點與樹葉之間的距離dist、視線與樹枝生長方向的夾角dir，對應的函數計算分別如下：

BSL對應的計算公式為：

BL對應的計算公式為：

其中near、far分別代表最精細和最粗糙LOD所對應的距離閾值，max_BL表示BL參數的最大值，參數h用來控制f₂(BL，dist)隨距離變化的幅度；參數k₁保證f₂(BL，dist)結果不小于-0.5；

LD對應的計算公式為：

f₃(LD)＝k₂*(LD-ld)

其中ld表示所有節點在初始狀態下的平均葉密度，k₂＝1/ld；

dist對應的計算公式為：

其中k₃＝1/log₁₀(far-near+1)；

dir對應的計算公式為：

節點的實時簡化率R_s由上述五個函數所確定，計算公式如下：

R_s＝α₁*f₁(BSL)+α₂*f₂(BL，dist)+α₃*f₃(LD)+α₄*f₄(dist)+α₅*f₅(dir)

其中α₁、α₂、α₃、α₄、α₅表示影響因子的權重且α₁+α₂+α₃+α₄+α₅＝1。