专利名称：从单张树木图像快速构建真实感树木模型的方法
技术领域：
本发明专利涉及计算机图形学领域，特别是涉及一种从单张树木图像快速构建真实感树木模型的方法。
背景技术：
树木能有效增强虚拟场景的真实感维度。然而，由于自然界的树木种类繁多、形态万千、结构复杂，构建真实感的三维树木模型具有很大困难。目前，针对树木的建模方法主要包括四类。第一类是基于交互的建模方法。用户使用通用的三维建模软件完全手动的构建树木的每个细节，例如使用Autodesk公司的3DS MAX软件。该建模方法的控制精度较高，但建模工作量较大。有一些建模方法通过提供内置的树木模型，例如IDV公司的SpeedTree 软件，用户通过交互修改已有树木模型的参数得到期望的树木模型。该建模方法速度得到了很大提升，但要求用户对建模参数具有一定的理解和掌握，并且构建与真实树木图像相似的树木模型比较困难。第二类是基于规则的建模方法。由于植物生长符合一定生物学规则和模式，因此有许多研究者提出通过设计和使用规则来模拟树木的生长，并据此构建其三维模型，参见 Ijiri,T. ,Owada,S. ,Okabe,M. ,Igarashi,T. 2005. Floral diagrams and inflorescences interactive flower modeling using botanical structural constraints. ACM Transactions on Graphics 24，3，720-726.。虽然这类方法可以得到较为自然和真实的树木模型，但用户在设计和使用规则以及指定规则定参数时，需要比专业的背景和经验，在构建比较复杂的树木模型时，则需要使用大量规则。第三类是基于草图的建模方法。这类方法首先让用户勾勒出树木树冠、枝干、 树叶等形状的草图，然后对草图进行分析、理解和推导，生成树木模型，参见Okabe，Μ.， Owada, S. , Igarashi,Τ.2005.Interactive design of botanical trees using freehand sketches and example based editing. Computer Graphics Forum 24，3，487-496.。这类方法所需要的建模交互量一般较大，并且对于普通用户，一般难以绘制出比较合理的树木草图。第四类是基于图像的建模方法。一些研究者通过沿树木周围拍摄多张图像，然后利用计算机视觉从运动恢复结构等算法，计算得到树木表面的三维点云，并根据这些点云进一步计算树木枝干和树叶的三维网格模型，参见Quan，L.，Tan, P.，Zeng, G.，Yuan, L.， Wang,J. ,Kang,S. B. 2006. Image-based plant modeling. SIGGRAPH 2006，599-604.和Tan， P. , Zeng, G. , Wang, J. , Kang, S. B. , Quan, L. 2007. Image-based tree modeling. SIGGRAPH 2007,87-93.。这类建模方法构建的树木模型的细节比较真实，并且和真实树木具有较大相似度，但构建时间比较长、用户交互工作量也比较大。上述树木建模方法，都存在建模时间长、建模交互量大、建模操作复杂等缺点。随着人们对虚拟现实需求的增长和虚拟现实应用的增多，对其开发周期的要求也在不断提高。因此研发建模成本低、建模交互少、建模速度快的快速树木建模技术十分必要。
发明内容
本发明克服了现有技术中的缺点，提供了一种从单张树木图像快速构建真实感树木模型的方法，结合主动轮廓方法、粒子仿真方法、纹理合成方法，可从单张树木图像中快速重建出树木的三维几何模型和二维纹理贴图，降低了树木的模型建模成本、建模交互工作量和建模时间，可应用于景观设计、园林设计、动漫创作、游戏开发、影视制作等领域。本发明的技术方案包括以下六个步骤1)在树木图像上标记树木大致树冠轮廓和主树干中心线拍摄一张树木图像，在树木图像上用多边形标记出树木大致树冠轮廓，用直线段标记出树木大致主树干中心线；2)求解精确树冠轮廓、主树干轮廓和树木前景图像采用主动轮廓方法，分别从树木大致树冠轮廓和主树干轮廓出发，通过局部最小化由连续能量、曲率能量和梯度能量加权求和组成的能量函数，求解精确的树冠轮廓和主树干轮廓，并提取出精确的树木前景图像；3)计算树冠轮廓内部的二维树枝形状对精确树冠轮廓顶点进行重采样和平滑处理，然后在树冠轮廓顶点等距放置粒子，根据主树干引力、树冠轮廓排斥力和粒子间相互引力，采用粒子仿真方法不断更新粒子位置，直到所有粒子都死亡，合并粒子运动轨迹，得到树冠轮廓内部的二维树枝形状；4)将树枝形状从二维平面变换到三维空间然后根据最大分叉原则，采用贪心算法，从下至上逐段处理每段二维树枝形状，根据二维树枝形状在树木图像平面上的位置以及已经处理的二维树枝形状的数量，将树枝形状从二维平面上旋转到三维空间中，处理完成所有二维树枝形状后，得到树木的三维树枝形状；5)扫描三维树枝形状构建树木的三维几何模型从三维树枝形状的根节点出发，从下至上扫描每段三维树枝形状，逐段生成枝干表面的三维几何模型，根据运动轨迹所包含粒子的数量计算树枝形状的半径，在树枝形状内部，采用结合下一段树枝形状的方法计算几何模型顶点采样点平面，在树枝形状分叉处， 采用结合分叉处两段树枝形状的方法计算几何模型顶点采样点平面；6)根据树木前景图像合成树木二维纹理贴图根据主树干轮廓内的树木前景图像像素，采用基于样例的逐像素纹理合成方法生成枝干纹理贴图，并根据树冠轮廓内的树木前景图像像素，采用高斯模型分析方法合成树叶纹理贴图，得到具有真实感的树木二维纹理贴图。本发明与背景技术相比，具有的有益的效果是本发明结合主动轮廓、粒子仿真、纹理合成等技术，能根据单张树木图像快速重建出与其相似的具有真实感的树木三维几何模型和二维纹理贴图，有效地克服了现有方法建模成本高、建模交互量大、建模时间长的缺点，可满足景观设计、动漫创作、电子游戏等领域中快速构建感树木模型的需求。
图1是本发明方法的技术方案流程图。图2是基于粒子仿真的二维树枝形状构建流程图。
具体实施例方式在实施本发明一种从单张树木图像快速构建真实感树木模型的方法时，具体步骤如下第一步，拍摄一张树木图像并标记出树木的大致树冠轮廓和主树干中心线。使用普通数码相机拍摄一张树木图像，拍摄时数码相机需正对树木，并完整地拍摄到树木的树冠和主树干图像，树木图像分辨率应不低于IOM个像素宽和IOM个像素高。 在树木图像上标记出树木的大致树冠轮廓和主树干中心线。树冠轮廓用多边形表示，标记为C= Ic0, C1,.. .，cn_J，其中Ci表示多边形的顶点，其值为树木图像中的像素位置，η表示树冠轮廓顶点的数量。主树干用直线段表示，标记为T = {t0, t1;. . .，U，其中、表示直线段上的顶点，其值也为树木图像中的像素位置，m表示主树干顶点的数量。第二步，求解精确的树冠轮廓、主树干轮廓和树木前景图像。采用主动轮廓方法求解精确的树冠轮廓。树冠轮廓顶点初始位置设置为第一步中标记的位置，通过局部最小化一个能量函数对树冠轮廓顶点位置不断更新，直到得到精确的树冠轮廓。在每次迭代时，首先计算每个顶点Ci处3x3邻域内8个相邻顶点处的能量函数值，然后将该顶点移动到具有最小能量函数值的相邻顶点处。能量函数Ei由该顶点处的连续能量Ec、曲率能量Ev和梯度能量Eg加权求和得到，计算公式如下 Ei = α Ec (Ci) + β Ev (Ci) + y Eg (Ci)其中α、β、γ为加权因子，分别取1.2、1.0、1.2。Ec (Ci)为顶点Ci处的连续能量，计算公式如下Ec (Ci) = d2+1 cnk-c ‘ j |2其中d为当前所有顶点和在上一次迭代前所有对应顶点的距离的平均值，cnk为顶点Ci处3x3邻域内的相邻顶点，k= {0，1，...，7}，c' i为顶点Ci在上一次迭代前的位置，
cnk-c' i I为顶点cnk到顶点c' i之间的距离。Ev (Ci)为顶点Ci处的曲率能量，计算公式如下
权利要求
1. 一种从单张树木图像快速构建真实感树木模型的方法，其特征在于1)在树木图像上标记树木大致树冠轮廓和主树干中心线拍摄一张树木图像，在树木图像上用多边形标记出树木大致树冠轮廓，用直线段标记出树木大致主树干中心线；2)求解精确树冠轮廓、主树干轮廓和树木前景图像采用主动轮廓方法，分别从树木大致树冠轮廓和主树干轮廓出发，通过局部最小化由连续能量、曲率能量和梯度能量加权求和组成的能量函数，求解精确的树冠轮廓和主树干轮廓，并提取出精确的树木前景图像；3)计算树冠轮廓内部的二维树枝形状对精确树冠轮廓顶点进行重采样和平滑处理，然后在树冠轮廓顶点等距放置粒子，根据主树干引力、树冠轮廓排斥力和粒子间相互引力，采用粒子仿真方法不断更新粒子位置， 直到所有粒子都死亡，合并粒子运动轨迹，得到树冠轮廓内部的二维树枝形状；4)将树枝形状从二维平面变换到三维空间然后根据最大分叉原则，采用贪心算法，从下至上逐段处理每段二维树枝形状，根据二维树枝形状在树木图像平面上的位置以及已经处理的二维树枝形状的数量，将树枝形状从二维平面上旋转到三维空间中，处理完成所有二维树枝形状后，得到树木的三维树枝形状；5)扫描三维树枝形状构建树木的三维几何模型从三维树枝形状的根节点出发，从下至上扫描每段三维树枝形状，逐段生成枝干表面的三维几何模型，根据运动轨迹所包含粒子的数量计算树枝形状的半径，在树枝形状内部， 采用结合下一段树枝形状的方法计算几何模型顶点采样点平面，在树枝形状分叉处，采用结合分叉处两段树枝形状的方法计算几何模型顶点采样点平面；6)根据树木前景图像合成树木二维纹理贴图根据主树干轮廓内的树木前景图像像素，采用基于样例的逐像素纹理合成方法生成枝干纹理贴图，并根据树冠轮廓内的树木前景图像像素，采用高斯模型分析方法合成树叶纹理贴图，得到具有真实感的树木二维纹理贴图。
全文摘要
本发明公开了一种从单张树木图像快速构建真实感树木模型的方法，属于计算机图形学领域，用于解决从单张真实树木图像中快速重建出树木的三维几何模型和二维纹理贴图这一问题。该方法包括以下步骤首先在树木图像上标记出树木大致树冠轮廓和主树干中心线；其次采用主动轮廓方法求解精确树冠轮廓、主树干轮廓和树木前景图像；再次使用粒子仿真方法计算树冠轮廓内部的二维树枝形状；然后将树枝形状从二维平面变换到三维空间；接着扫描三维树枝形状构建树木三维几何模型；最后合成枝干纹理贴图和树叶纹理贴图。本发明提供的树木建模方法建模操作简单、建模速度快，在景观设计、动漫创作、游戏开发、影视制作等领域具有较高的实用价值。
文档编号G06T11/00GK102306386SQ201110202380
公开日2012年1月4日 申请日期2011年7月19日 优先权日2011年7月19日
发明者不公告发明人 申请人:杭州实时数码科技有限公司