专利名称：植物场景的快速渲染及漫游方法
技术领域：
本发明涉及计算机图形学技术，图像处理技术，以及虚拟现实技术 在土地利用、数字农林业、数字媒体、数字广告、数字娱乐业领域中的 应用，具体地涉及一种植物场景的自适应合成快速渲染与虚拟场景漫游 方法。
背景技术：
大规模复杂自然植物场景的快速或实时渲染是土地利用、数字农林 业、数字媒体、数字娱乐、虚拟现实应用中的基本难点问题之一。植物 形体及其表面纹理的三维可视化表现是十分复杂的，特别是对于植物群 落或森林场景的真实表示，如果应用纯三维实体模型渲染方法可能要处 理至少百万级以上的多边体数据。在目前现有的、常规应用的软硬件技 术条件下，是无法完成如此数据规模的复杂自然植物场景实时渲染。为 此，人们在三维建模中采用二维图像板方法替代三维实体模型表示的植 物体。从而实现了大规模复杂自然植物场景实时渲染的效果。但是，该 种方法的最大缺点是漫游者在临近植物体时，无法对物体获得三维立体 感的真实效果。
发明目的
本发明的目的是针对纯二维图像板技术中缺少三维立体感效果的缺 点，及纯三维实体模型表示将面临大量数据而可能无法实现实时处理的 问题，为此，本发明是在复杂自然植物场景已有的纯二维或纯三维渲染 与虚拟场景漫游技术基础之上提出植物场景的"二维+三维"自适应合 成的快速渲染与虚拟场景漫游方法。
为达成所述目的，本发明一种植物场景的快速渲染及漫游方法，包
括
5采用自适应合成方式对大规模复杂自然植物场景静态观察或动态漫 游中的二维与三维表示的模型实现自适应合成的快速渲染，从而使每帧 渲染画面中同时包含由二维图像板表示的植物体与三维实体模型表示的
植物体的合成渲染结果；二维图像板表示的植物体与三维实体模型表示 的植物体在每帧画面中表现的相对内容比例采取自适应的调整方式；在 动态漫游画面渲染中釆用自适应的插值渐变方法实现二维图像表示的植 物体与三维实体模型表示的植物体之间的平滑转换。
本发明的有益效果
1. 目前大规模复杂自然植物场景渲染中基本上是以二维图像板表 示植物体来实现具有"实时性"的动态漫游。而当采用三维实体模型表 示来提高植物体真实性时，渲染画面实时性处理通常很难达到。应用本 发明的植物场景"二维+三维"模型自适应合成的快速渲染及漫游方法， 可以有效地缓解上述矛盾。其中自适应方式可以根据软硬件的现有状况 而自动完成调整，以达到约束条件下的最优解。或者说，在满足实时性 处理的基本要求下，能够最大化的实现渲染画面的真实性。
2. 在大规模复杂自然植物场景渲染中，只有漫游者视点范围以内的
物体需要进行渲染处理。应用本发明的树结构的数据存储格式可以快速
确定需要渲染的物体；它不仅可以避免漫游者视点范围以外数据的逐个 查询，而且可以很快确定渲染画面中相关物体与漫游者视点的平均距离， 从而有利于快速确定是远景物体还是近景物体，而无需在全部数据上进 行查询后再进行渲染处理。
图1为植物场景的"二维+三维"自适应合成快速渲染与虚拟场景漫 游方法应用示意图2为植物场景的"二维+三维"自适应合成快速渲染与虚拟场景 漫游方法实施流程图3为复杂自然植物场景中"二维+三维"数据存储的树结构模式 示意图4为基于两幅"二维图像板"表达单株植物体的应用示意图。
具体实施例方式
下面结合附图详细说明本发明技术方案中所涉及的各个细节问题。 应指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起 任何限定作用。
本发明"植物场景的快速渲染与虚拟场景漫游方法"的应用示意图 1中包括计算机主机单元20、计算机屏幕单元10与漫游者视点模拟位置
单元30。计算机屏幕单元10通过接收计算机主机单元20输出的数据完 成渲染功能，漫游者视点模拟位置单元30示意了漫游者与计算机渲染画 面中物体之间的相对距离，该数据用于实现虚拟的漫游者(相当于计算 机用户)对计算机主机单元20完成的自适应控制应用。
所述计算机屏幕单元10的图像显示中一般包含两种方式表达的图像 内容，分别是应用二维图像板(Billboard)方式表达的图像内容，简记为 0_2D，应用三维多面体方式表达的图像内容，简记为0—3D。其中二维图 像板方式表达的图像内容基本对应计算机屏幕画面中的远景B植物体， 而三维多面体方式表达的图像内容大体对应计算机屏幕画面中的近景F 植物体。
所述计算机主机单元20应用PC计算机或计算机工作站及C语言编 程完成图2中植物场景的"二维+三维"自适应合成快速渲染与虚拟场景
漫游实施流程，具体描述如下
图2的第一模块201，记录全部物体的"三维多面体"数据。其中植 株与其它物体总数记为O一all。为加速部分场景情况下的快速渲染处理中 采用基于树结构的数据存储格式，有关数据采用树结构分层记录方式请 参见图3。根节点(位于树结构最上层)为全场景总体数据描述。树结构 的中间子节点反映了地域不断细分的分块场景范围内物体的相关数据。 最底层的子节点称为叶节点。每个叶节点对应了单个物体(如单株植物) 的相关数据。所有相关数据包括了不同属性的内容，如地形数据，地表 人文景观数据，植物数据等。在叶节点中的其中一个属性内容是该植株 的全部"三维多面体"数据。对应规模较大结构的单株植物体，可以将 该植物体分解成若干子结构，然后将该子结构作为单株植物体来处理。
7图3中示出了复杂自然植物场景中"二维+三维"数据存储的树结构 模式为第一层子节点、第二层子节点和N层子节点；所述的N为自然数; 第一层子节点含有地块ll、地块12和多个地块1N等； 第二层子节点含有地块11的地块111、地块U2和多个地块IIN等；
还含有地块12的地块121、地块122和多个地块12N等；多层子节点和 多各地块1N、多个地块IIN和多个地块12N不再赘述。
叶节点含有植株l、植株2和植株N;植株N中包含了三维模型数据 和二维图像板。
图2中的第二模块202，将三维多面体数据生成并记录与各物体相对 应的"二维图像板"数据。该数据反映了物体外观的二维纹理图像。为 了保证非物体纹理的透明效果，"二维图像板"数据采用了 PNG格式记 录，并作为属性内容记录在对应植株的节点数据中。每个单株植物通常 是由两幅图像板正交方式组成请参见图4，即与植物主干同轴的图像板 (称"植物主轴图像板")及横切主干的图像板("植物径围图像板") 图4中oc旋转角可调、以保证植物主轴图像板与漫游者视点模拟位置单元 30之间处于正交面向关系。
图2中的第三模块203，应用经验式的非线性函数计算如下定义的二
维图像板数据的"二维内容比例因子"
r一2D = (0一2D)/ (O一all) =f (V—dist， R—speed) ， 0 S r —2D《1 其中V—dist与R—speed分别称为"视点距离临界值"与"渲染速 度"，并设定为非线性函数f的自变量。所谓"视点"是指图1中"漫 游者视点模拟位置单元"，而"视点距离"是指"视点"与被渲染物体 之间的距离。当物体超过给定"视点距离临界值"时，可以初步认定该 物体为远景物体，属于应用二维图像板方式表达的内容。否则为近景物 体，属于应用三维多面体方式表达的内容。而最终"二维内容比例因子" 判别还由于"渲染速度"而决定。当"渲染速度"达不到规定要求时， 将加大二维图像表示的内容；当"渲染速度"富裕时，可以增加三维实 体模型表示的内容；在特殊情况下，渲染画面可以是完全的纯二维图像 的表示，或可以是完全的纯三维实体模型的表示。该"渲染速度"可以 由用户经验方式预估，也可以是第十模块210中"渲染速度"反馈数值给定或人工交互直接控制"二维内容比例因子"。
图2中的第四模块204，根据"二维内容比例因子"，确定当前画面 中应该由"二维图像板"表示的远景物体。而其它的物体则划归为应用 "三维多面体"表示的近景物体。
图2中的第五模块205，合成"二维图像板"与"三维多面体"待渲 染模型。该模型中要保证各个"植物主轴图像板"的延伸平面是与"漫 游者视点模拟位置单元30"点完全正交(当"漫游者视点模拟位置单元 30"与"植物主轴图像板"的延伸平面重合的情况除外)。当"漫游者 视点模拟位置单元30"发生变动时，如转动某一角度，该"植物主轴图 像板"也发生相应转动(参见图4)。以保证各个"植物主轴图像板"永 远是全部朝向漫游者视点。
图2中的第六模块206，根据虚拟场景漫游者的"走入"和"离开"
状态来动态调整或更新二维图像板方式表达的图像内容与应用三维多面 体方式表达的图像内容。当模拟"走入"虚拟场景时，部分"二维图像 板"表示的远景物体将调整为"三维多面体"表示的近景物体。而当 "离开"虚拟场景时，部分"三维多面体"表示的近景物体将调整为 "二维图像板"表示的远景物体。为减少"二维一三维"物体之间表达 的变换调整或更新产生的视觉突变，应用经验式的非线性函数计算如下 定义的动态画面中的"差值渐变画面帧数" N—interp = g(Err一imag，R—speed)， 0《N—interp/sec S 24
其中Errjmag是"二维一三维"动态变换调整前后两幅图像的差异。当 是静态场景渲染时，该差异值设定为零，并将Njnterp设定为0，表明 没有差值渐变画面。在动态场景渲染时， 一般说来Err—imag不为零，"差 值渐变画面帧数"取值将正比于Err—imag。但最终取值是由"渲染速 度"决定。该"渲染速度"可以由用户经验方式预估，也可以是第九模 块209中"渲染速度"反馈数值给定或人工交互直接控制"差值渐变画 面帧数"。
图2中的第七模块207，生成动态画面中同时兼容"二维一三维"物 体之间表达的"差值渐变画面"待渲染模型。
图2中的第八模块208，输出实际渲染数据于计算机屏幕单元10，并计算当前的"渲染速度"值。
图2中的第九模块209，反馈渲染速度于第六模块206，或通过人工
交互方式直接控制动态画面中的"差值渐变画面帧数"计算。
图2中的第十模块210，反馈渲染速度于第三模块203，或通过人工
交互方式直接控制景观画面中的"二维内容比例因子"计算。 具体实施操作过程和实例说明
系统开始工作，记录全部物体的三维多面体数据；将传统三维建模 方法生成的待渲染景观场景模型作为己知数据读入。
根据上述技术方案中的流程图计算机主机单元20将自动完成每个模 块中的实施内容。在计算机屏幕单元10中的每个渲染画面都根据漫游者 视点模拟位置单元30的位置自动的渲染了包含应用"三维多边体"表达 的近景物体与应用"二维图像板"表达的远景物体。
当应用情况是静态大规模复杂自然场景渲染时，有关"二维一三 维"动态变换调整前后两幅图像的差异值为零，第六模块206，第七模块 207与第九模块209将自动跳过，不存在差值渐变画面生成过程。
当应用情况是动态大规模复杂自然场景渲染时，该方法将自动方式 并具备自适应能力的实现差值渐变画面生成过程，以保证二维植物体表 示与三维植物体表示之间的平滑转换效果。
用户可以通过两个键符组以人工交互方式直接控制"二维内容比例 因子"值。键符组"Ctrl+2"将加大"二维内容比例因子"当前值。键 符组"Ctrl+3"将减小"二维内容比例因子"当前值。 一旦有人工交互 设定后，该"二维内容比例因子"值将被自动锁定，直到下一个人工交 互操作方可改变。键符组"Ctrl+l"将重新启动计算机主机单元20自适 应计算"二维内容比例因子"的功能。
用户可以通过两个键符组以人工交互方式直接控制"差值渐变画面 帧数"值。键符组"Ctrl+s"将加大"差值渐变画面帧数"当前值。键 符组"Ctrl+d"将减小"差值渐变画面帧数"当前值。 一旦有人工交互 设定后，该"差值渐变画面帧数"值将被自动锁定，直到下一个人工交 互操作方可改变。键符组"Ctrl+a"将重新启动计算机主机单元20自适 应计算"差值渐变画面帧数"的功能。
10以上所述，仅为本发明中的具体实施方式
，但本发明的保护范围并 不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理 解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发 明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
权利要求
1、一种植物场景的快速渲染及漫游方法，其特征在于采用自适应合成方式对大规模复杂自然植物场景静态观察或动态漫游中的二维与三维表示的模型实现自适应合成的快速渲染，从而使每帧渲染画面中同时包含由二维图像板表示的植物体与三维实体模型表示的植物体的合成渲染结果；二维图像板表示的植物体与三维实体模型表示的植物体在每帧画面中表现的相对内容比例采取自适应的调整方式；在动态漫游画面渲染中采用自适应的插值渐变方法实现二维图像表示的植物体与三维实体模型表示的植物体之间的平滑转换。
2、 根据权利要求1所述植物场景的快速渲染及漫游方法，其特征在 于所述的合成渲染是对自然植物场景渲染画面中包含背景或远景植 物体采用二维图像方式表示，而前景或近景植物体采用三维实体模型表 示；两部分的划分通常是以植株整体为单元，对于复杂的单株植物体， 采用分枝结构为划分单元。
3、 根据权利要求1所述植物场景快速渲染及漫游方法，其特征在于 所述自适应调整方式是自适应调整的因变量，自适应调整的因变量是漫 游者与物体之间距离以及渲染速度；当漫游者视点远离目标对象时，对 目标对象原有三维实体模型表示的部分内容调整是应用二维图像表示的 内容；而当漫游者走近目标对象时，对目标对象原有二维图像表示的部分内容调整是应用三维实体表示的内容；当渲染速度达不到每祯40毫秒规定实时渲染速度要求时，将加大二维图像表示的内容，极端情况是渲染画面完全由纯二维图像表示；当渲染速度富裕时，增加三维实体模型 表示的内容，极端情况是渲染画面完全由纯三维实体模型表示。
4、 根据权利要求1植物场景的快速渲染及漫游方法，其特征在于所述插值渐变的方法实现二维图像到三维实体两种不同表示模式的双向转换；插值渐变方法应用中的插值点个数选择为动态自适应调整，动态 自适应调整考虑因素是二维与三维动态变换调整前后两幅画面之间的差 异与渲染速度。
5、 根据权利要求l植物场景的快速渲染及漫游方法，其特征在于在大规模复杂自然植物场景渲染处理采用基于树结构的数据存储格式， 树结构的根节点是全场景的总体数据描述，树结构的中间节点是全场景 不断细分的分块场景范围内物体的相关数据，最后的叶节点对应了单个 物体的相关数据，叶节点数据同时包括了三维多面体和二维图像板数据。 .
6、根据权利要求1所述植物场景的快速渲染及漫游方法，具体实现 步骤如下步骤l:利用第一模块，记录全部物体的三维多面体数据；步骤2:利用第二模块，将三维多面体数据生成并记录与各物体相对 应的二维图像板数据，该二维图像板数据反映物体外观的二维纹理图像；步骤3:利用第三模块，应用经验式的非线性函数计算的二维图像板 数据的二维内容比例因子r—2D:r—2D 二 (0—2D)/ (O一all) =f (V一dist， R—speed) ， 0 S r —2D Sl其中V_dist与R_speed分别称为视点距离临界值与渲染速度，并设 定为非线性函数f的自变量；二维图像板方式表达的图像内容记为0—2D; 植株与其它物体总数为0—all;步骤4:利用第四模块，根据二维内容比例因子，确定当前画面中应 该由二维图像板表示的远景物体，而其它物体则划归为应用三维多面体 表示的近景物体；步骤5:利用第五模块，合成二维图像板与三维多面体待渲染模型; 该模型中要保证各个植物主轴图像板的延伸平面是与漫游者视点模拟位 置单元点完全正交，当漫游者视点模拟位置单元与植物主轴图像板的延 伸平面重合的情况除外；步骤6:利用第六模块，根据虚拟场景漫游者的走入和离开状态来动 态调整或更新二维图像板方式表达的图像内容与应用三维多面体方式表 达的图像内容；为减少二维一三维物体之间表达的变换调整或更新产生 的视觉突变，应用经验式的非线性函数计算动态画面中的差值渐变画面帧数N—interp = g(Err—imag，R—speed)， 0 S N—interp/sec < 24 其中Err—imag是"二维一三维"动态变换调整前后两幅图像的差异 步骤7:利用第七模块，生成动态画面中同时兼容二维一三维物体之 间表达的差值渐变画面待渲染模型；步骤8:利用第八模块，输出实际渲染数据于计算机屏幕单元，并计 算当前的渲染速度值；步骤9:利用第九模块，反馈渲染速度于第六模块，或通过人工交互方式直接控制动态画面中的差值渐变画面帧数计算；步骤10:利用第十模块，反馈渲染速度于第三模块，或通过人工交互方式直接控制景观画面中的二维内容比例因子计算。
全文摘要
本发明一种植物场景的快速渲染及漫游方法，是以自适应方式将自然场景中植物对象划分为两种不同方法表示的两个部分，第一部分是远景或背景植物对象，并将以二维图像板方法来表示，第二部分是近景或前景植物对象，采用三维实体模型渲染技术，每帧画面可以包含两部分内容的自动合成渲染，其中植物对象自适应划分功能是根据漫游者视点与植物体对象间的距离以及渲染速度两个因素来确定，在虚拟场景漫游中，为了实现二维植物体表示与三维植物体表示之间的平滑转换效果，应用插值渐变技术。本发明为实现复杂自然植物场景更为真实而又具快速的渲染效果提供了解决方案。
文档编号G06T15/10GK101661628SQ20081011908
公开日2010年3月3日 申请日期2008年8月28日 优先权日2008年8月28日
发明者张晓鹏, 胡包钢, 鲍冠伯 申请人:中国科学院自动化研究所