[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

本發明公開了一種基于視點互信息的三維樹木模型實時簡化方法，可以使得森林場景中樹木的渲染更為流暢并取得更好的可視化效果，具體包括：按照樹枝間的拓撲關系將樹木劃分為具有父子關系的節點，并以多叉樹的形式組織；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，并依此對樹葉重新排序；提出多個影響節點實時簡化率的因子，為每個因子設置相應的函數以確定節點的實時簡化率；提出本方法用于渲染大規模森林場景時的優化措施，包括對LOD的切換控制，遠景樹冠的替換渲染等。通過基于VMI的樹葉排序，本發明可以在達到較高簡化率的同時較好的保持樹木的可視化外觀特征。此外，渲染過程中的優化措施保證了較好的可視化效果與渲染效率。

技術領域

本發明屬于計算機圖形學與虛擬地理環境領域，具體涉及一種基于視點互信息(Viewpoint Mutual Information，VMI)的三維樹木模型實時簡化方法。

背景技術

目前對三維樹木模型的簡化方法主要有基于圖像方法和基于幾何的方法。其中，基于圖像的渲染方法(Image-based rendering，IBR)利用樹木的二維圖像代替幾何模型進行渲染，從而顯著降低渲染負擔，提高渲染效率。但由于圖像是二維對象，該方法具有一些無法避免的缺點。首先，由于圖像分辨率的限制，該方法一般不能用于近景模型的渲染，否則將產生強烈的非真實感；其次，該方法的可視化效果是靜態的，難以對樹木進行動態光照效果或生長過程模擬；此外，IBR方法大多是利用單張或幾張樹木圖片來代替許多棵樹木，因此生成的森林場景往往缺乏多樣性。

相比基于圖像的方法，基于幾何的方法可以在任何距離對樹木進行精確的模擬，可以生成極具真實感的可視化效果。但由于大量的渲染圖元的存在，基于幾何的樹木簡化方法往往需要在簡化方法上大做文章，以降低渲染圖元的數量。按照簡化對象的不同，可將基于幾何的簡化方法分為對樹枝模型的簡化和對樹葉模型的簡化。樹枝一般利用多邊形棱柱表示，對樹枝的簡化方式大多為從橫向和縱向上降低幾何圖元的復雜度。但目前大多數方法都是為樹枝模型生成離散的LOD，這將產生大量的數據冗余，對于大規模的森林場景，這個問題尤其嚴重。目前針對樹葉的簡化方案通常基于隨機裁剪的方式，這種隨機裁剪的簡化方案認為樹冠中的所有樹葉具有相同的重要程度，在簡化樹冠時隨機刪除一定數量的樹葉從而完成對樹葉的簡化。但是考慮到樹葉的朝向、大小以及位置都會影響樹葉在屏幕上占據的像素數量，進而影響其視覺重要程度，基于隨機裁剪的樹葉簡化方法仍然存在著裁剪順序不合理的問題。Gasch et al.將信息論中視點互信息的概念應用在樹木簡化上，為樹木生成離散的LOD模型，但未將其用于樹木的實時簡化，場景中仍然存在著數據冗余以及LOD切換時的視覺跳變等問題。

總體來說，目前的三維樹木模型的實時簡化存在很大挑戰：不考慮樹葉裁剪的順序，造成低質的視覺效果；不綜合考慮效果以及效率的平衡，會產生嚴重的視覺跳變以及性能低下等問題。

發明內容

發明目的：針對現有三維樹木模型實時簡化方法在可視化效果以及渲染效率方面的缺陷，本發明公開了一種基于視點互信息的三維樹木模型實時簡化方法，可以滿足大規模森林場景下的可視化效果改善和渲染效率提升的需求。

技術方案：為了實現上述發明目的，本發明公開了一種基于視點互信息的三維樹木模型實時簡化方法，在預處理中利用VMI對樹葉按照視覺重要度排序，為樹枝生成細節層次模型(LOD)，結合渲染過程中的優化措施，包括控制節點的LOD切換以減少DrawCall次數，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，在遠景中用合適的輪廓模型表達樹冠可視化效果等，可提升大規模森林場景的渲染效率并改進可視化效果，包括以下步驟：

(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重新排列樹葉的頂點數據，較重要的數據將放置在頂點數組的前面；