交互式植物建模系统

植物建模是研究植物的形态结构及其生长发生过程的重要手段,也是计算机图形学的研究热点之一.文中设计出一套满足用户需要的、可以生成各种不同的植物形态结构的交互式植物建模系统.根据植物枝干的形态特征,在建模过程中首先采用迭代的方法生成若干不同的分枝,然后根据全局算法将不同的分枝组合成植物的整体分枝结构.用户可以通过系统提供的交互式界面调整参数,控制每一步的生成结果;在叶片建模过程中,结合植物形态学知识可提供大量的叶片模型以及叶序排列模式,用户选择相应的叶片模型或根据需要添加新的叶片模型.实验结果表明,该系统操作简单方便,生成的植物真实感较强.     

基于模板库的三维植物形态模拟系统研究

首先从现有的植物形态建模系统出发。分析了其面临的主要问题，设计并实现了一种基于模板库的三维植物形态可视化模拟系统，给出了系统的总体设计方案，介绍了植物形态结构模板库的建立，重点论述了三维真实感植物生成的实现方法，最后介绍了系统界面设计并给出了系统应用实例。     

基于手绘草图的快速植物建模

传统的交互式植物建模虽然能构建较为精准的目标模型,但其过程极为费时,而基于L-system 的过程式建模虽然能快速自动生成复杂模型,但由于其较高的学习门槛以及对植物形态的控制性欠佳,使得普通用户难以操作。二维草图作为一种直观、高效的交互媒介,对植物形态具有良好的描述力。基于此,该文提出一种基于手绘草图的植物建模方法：首先,对创作者绘制的草图进行预处理和分析,推测创作者的创作意图;然后,结合植物学知识,提出相应的花朵、枝干和叶片的深度信息恢复方法来恢复二维草图中缺失的深度信息;最后,根据深度信息和一定的植物学先验知识重建出具有真实感的目标模型。该方法支持对花卉、草本、树木等具有枝叶结构的植物进行建模,同时具有较大的创作自由度和较快的建模速度。     

基于图像的树类物体的三维重建

树类物体的三维重建一直是人们很感兴趣的一个研究内容。该文利用基于图像的建模技术，实现了一个从双视点图像重建树木三维模型的系统，提出了一个自动获取树木二维主干骨架的方案，实现了二维骨架点的对应关系求解，三维骨架点的重建、简化及树表面网格的生成。实验结果表明该文提出的方法确实可行、有效。     

基于手绘花瓣的花朵建模方法

针对现有花朵建模方法形成的花瓣式样与形态单一的缺陷,提出一种基于手绘花瓣的交互式花朵建模方法。该方法首先根据手绘花瓣的轮廓图提取花瓣模型的二维控制点,然后通过弯曲控制函数得到花瓣的三维控制点,继而利用三维控制点构造三维花瓣模型,最后由经过真实感渲染的单个花瓣构建花朵。实验结果表明,与其他建模方法相比,该建模方法能够方便地生成各种裂瓣状花瓣的花朵且真实感更强。     

真实感云的快速建模

快速云建模便于真实的三维室外场景规划,提出概率场参数控制的元胞自动机方法近似模拟云生成的物理过程,生成云密度体数据,引入符合粒子运动规律的不规则布朗运动随机模型创建概率场,生成的云具有真实云的外形特征.所有建模过程在可编程图形硬件卡上实现,模拟速度满足交互式系统要求.引入考虑了太阳光和背景光的单次散射光照模型,利用光线投射直接体绘制渲染出三维真实感强的云图像.应用到三维虚拟地理环境中增强了场景真实感,建模绘制速度满足交互要求.     

结合L系统和图像合成技术的叶表面重建研究

植物叶可视建模是虚拟植物研究的重要组成部分。论文提出了一种结合图像重建技术和L系统的交互式叶重建方法,并利用图像验证技术使生成的叶生长模型有更好的视觉效果和可控性。首先根据叶生长周期,采集叶数码图像集,提取叶特征参数;然后基于叶特征参数,应用参数L系统,生成叶的分枝结构;对生成的叶结构进行图像比较验证,修正生成的叶分枝结构;最后以叶分枝结构为基础,重构叶表面,贴纹理;并采用龟图控制技术实现了叶模型的三维自由形变。     

基于Lobe表示的树木快速3D建模

提出了一种基于Lobe表示的树木三维建模方法,该方法的核心思想在于树冠形状取决于外形轮廓,而其内部的枝叶结构具有相似性,可以从有限的模板库通过纹理合成的方法近似生成.该方法可以描述成两大部分:1)编码.将给定树木表示成骨架和Lobe的形式;2)解码.根据Lobe形状,基于已有的枝叶模板生成Lobe内部三维结构.这种基于Lobe的轻量级树木表示方法在很大程度上提高了大规模树木三维模型存储和传输的效率,非常适用于网络环境下大规模城市场景的交互式应用.     

动态三维树实时仿真设计与实现

简要介绍了国内树木仿真技术的发展现状,介绍了几种常用仿真树型的建模方法,并对他们的特点进行了比较分析.详细介绍了基于SpeedTree几何与图像混合绘制技术的动态三维树木的建模,渲染设计及与3D引擎衔接的方案,并给出了仿真实验数据.当虚拟视景当前视口内树木总量不大于130棵时,视景帧更新率保持30帧/秒以上,能够满足系统实时性要求.动态三维树技术在实时视景仿真系统中的成功应用,大大增强了虚拟战场环境的真实感和训练人员的沉浸感,使虚拟训练更加趋于真实,提高了训练效果.     

基于三维模型转换器的虚拟植物可视化

提出了一个基于三维器官模型转换器来实现虚拟植物生长可视化的方法。该转换器的主要功能是在虚拟植物生长可视化系统内导入由三维建模软件所构造的具有表面细节的植物器官模型,之后结合L系统,实现由植物生长规律指导下的虚拟植物生长过程的实时模拟。实验结果表明,该方法改善了原有的一些虚拟植物生长可视化系统只考虑对器官进行几何建模,而忽略器官表面细节导致的展现效果真实感显著差异的缺陷。     

基于交互变形的树木三维建模研究

通过对树枝的交互变形处理,提供了一种能美化树木形状的三维建模方法。该方法由三部分组成：基于交互变形的树木三维表示模型、树枝的交互选择机制及对所选择树枝的变形处理。树枝变形分基本为形和综合变形两种,基本变表提供对树枝增删、伸缩、弯曲、旋转等简单变表操作;综合变形以基本变形为基础、以美学理论为准则对对木形状进行整体的美学控制。文中提供的方法既可与现有树木生长建模方法结合使用,也可独立运用,以达到对树木形状的建模和美化处理。     

Structure from silhouettes: a new paradigm for fast sketch-based design of trees

Modeling natural elements such as trees in a plausible way, while offering simple and rapid user control, is a challenge. This paper presents a method based on a new structure from silhouettes paradigm. We claim that sketching the silhouettes of foliage at multiple scales is quicker and more intuitive for a user than having to sketch each branch of a tree. This choice allows us to incorporate botanical knowledge, enabling us to infer branches that connect in a plausible way to their parent branch and have a correct distribution in 3D. We illustrate these ideas by presenting a seamless sketch-based interface, used for sketching foliage silhouettes from the scale of an entire tree to the scale of a leaf. Each sketch serves for inferring both the branches at that level and construction lines to serve as support for sub-silhouette refinement. When the user finally zooms out, the style inferred for the branching systems he has refined (in terms of branch density, angle, length distribution and shape) is duplicated to the unspecified branching systems at the same level. Meanwhile, knowledge from botany is again used for extending the branch distribution to 3D, resulting in a full, plausible 3D tree that fits the user-sketched contours. As our results show, this system can be of interest to both experts and novice users. While experts can fully specify all parts of a tree and over-sketch specific branches if required, any user can design a basic 3D tree in one or two minutes, as easily as sketching it with paper and pen.     

单张图片树木L-system的智能提取算法

介绍了一种新颖的从单张树木图片中提取树木的L-system规则的算法,并将其应用于三维树木建模。用户首先在图片上勾画出树木的主要可见枝干和树冠轮廓,通过图像处理的方法识别出树木的可见枝干的二维骨架;然后依据树木枝干的分布规律对骨架进行三维重建,并抽取其L-system生长规则和几何参数。所得L-system规则在树冠轮廓的约束下,经过迭代生长可以重建树木的分支结构。实验证明,相比以往的规则提取方法,该方法在保持模型质量的前提下,成本更低,方法更加简便。     

个性化编辑的轻量化3维树木模型构建

目的 3维树木几何结构和拓扑结构的复杂性,不仅使得真实感3维树木模型的构建过程十分复杂,而且构建的模型文件包含大量的几何数据。针对3维树木模型的构建过程复杂和模型数据量大的问题,提出一种支持骨架个性化编辑的轻量化3维树木模型构建方法。方法 该方法在提取树木模型骨架结构的基础上,通过交互方式对3维树木模型的骨架进行个性化编辑以生成3维树木模型的全新骨架结构,并采用枝干和树冠模型的简化方法实现轻量化3维树木模型的构建。结果 该方法不仅能快速创建轻量化的3维树木模型,减少3维树木可视化时的模型绘制时间;而且能通过骨架个性化编辑来设计树木的拓扑结构,有助于增加同一品种树木外部表现形态的多样性。结论 通过应用表明,本文轻量化3维树木模型构建方法不仅可以构建具有不同表现形态的3维树木模型,而且简化后的3维树木模型可以在无线网络、移动终端等资源有限情况下进行3维树木可视化。     

一种基于单幅图像的树木深度估计与造型方法

提出了种基于单幅图像、利用光照引起的明暗效果（ｓｈａｄｉｎｇ）恢复树木枝干三维形态的方法,与传统ｓｈａｐｅ ｆｒｏｍ ｓｈａｄｉｎｇ技术相比,该方法根据树木的特殊结构,利用更稳定的明暗特征,取消了对表面、光源及拍摄条件的限制,从而将算法的鲁棒性提高到足以处理自然的树木照片．基于上述工作,提出了一种基于单幅照片的交互式树木造型方法,该方法避免用数学模型控制树木形态,独立于树木的具体种类,具有较高的普     

Statistical Modeling of the 3D Geometry and Topology of Botanical Trees

We propose a framework for statistical modeling of the 3D geometry and topology of botanical trees. We treat botanical trees as points in a tree‐shape space equipped with a proper metric that captures the geometric and the topological differences between trees. Geodesics in the tree‐shape space correspond to the optimal sequence of deformations, i.e. bending, stretching, and topological changes, which align one tree onto another. In this way, the 3D tree modeling and synthesis problem becomes a problem of exploring the tree‐shape space either in a controlled fashion, using statistical regression, or randomly by sampling from probability distributions fitted to populations in the tree‐shape space. We show how to use this framework for (1) computing statistical summaries, e.g. the mean and modes of variations, of a population of botanical trees, (2) synthesizing random instances of botanical trees from probability distributions fitted to a population of botanical trees, and (3) modeling, interactively, 3D botanical trees using a simple sketching interface. The approach is fast and only requires as input 3D botanical tree models with a known upright orientation.     

基于三维分枝模型的树木模拟

虚拟自然场景的实时生成一直是图形学研究领域中一个富有挑战性的难题,作为自然场景的重要组成部分,树木的模拟也得到了广泛的重视.本文在实际建模中以三维分枝模型为基础,与随机繁衍L系统相结合,对树木模型进行了一些改进.将光源和重力的影响加入枝段的模型中,使生成树木的形态更加逼真;改进了分枝模式,使得生成树木的随机性得到加强;在绘制时根据不同距离选择不同复杂度的树木模型,加快了渲染的速度.     

树木结构层次细化的立体树木图像构建

目的 2维转3维技术可以将现有的丰富2维图像资源快速有效地转为立体图像,但是现有方法只能对树木的整体进行深度估计,所生成的图像无法表现出树木的立体结构。为此,提出一种树木结构层次细化的立体树木图像构建方法。方法 首先利用Lab颜色模型下的像素色差区别将2维树木图像的树干区域和树冠区域分割开来,并对树冠区域进行再分割;然后,在深度梯度假设思想基础上建立多种类型的深度模板,结合深度模板和树冠的区域信息为典型树木对象构建初始深度图,并通过基础深度梯度图组合的方式为非典型树木进行个性化深度构建;最后,根据应用场景对树木深度信息进行自适应调整与优化,将树木图像合成到背景图像中,并构建立体图像。结果 对5组不同的树木图像及背景图像进行了立体树木图像的构建与合成。结果表明,不同形态的树木图像都能生成具有层次感的深度图并自适应地合成到立体背景图像中,构建树木图像深度图的时间与原始树木图像的尺寸成正比,而构建立体树木图像并合成到背景中所需时间在24 s之间。对立体图像质量的主观评价测试中,这些图像的评分均达到良好级别以上,部分立体图像达到了优秀级别。结论 该方法充分利用了树木的形态结构特征,能同时适用于典型和非典型树木,所构建的立体树木图像质量较高,具有丰富的层次感,并具有舒适的立体观看效果。