面向虛擬地理環境的樹木三維建模與可視化技術研究

《面向虛擬地理環境的樹木三維建模與可視化技術研究》是依託武漢大學，由宋成芳擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：面向虛擬地理環境的樹木三維建模與可視化技術研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：宋成芳
• 依託單位：武漢大學

項目摘要

樹木是虛擬場景不可或缺的組成元素，它日益受到空間數據生產者和使用者的關注和重視。由於植物生長與環境相關、形態結構複雜、細節豐富，大規模樹木的三維建模與可視化至今仍是一個國際性難題。本項目提出幾何-圖像混合的多解析度表示、多源疊代建模、環境自適應建模的新思路，研究面向虛擬地理環境的樹木表示、三維建模與可視化方法。針對實地樹木無法逐一完整量測建模而虛擬場景又需要大批與之相似、與環境相配的樹木模型的問題，重點研究基於多源影像和掃描點雲的樹木重建、環境自適應的模型批量生成方法。顧及虛擬地理環境在逼真性和效率上的雙重要求，研究具有三維結構、幾何表達與圖像表達動態轉化的樹木多解析度表示模型、針對樹木多級分支結構的模型動態簡化方法、基於實例化思想的大規模樹木模型最佳化組織與管理方法。

結題摘要

樹木是虛擬場景不可或缺的組成元素，它日益受到空間數據生產者和使用者的關注和重視。由於植物生長與環境相關、形態結構複雜、細節豐富，大規模樹木的三維建模與可視化至今仍是一個國際性難題。本項目提出了幾何-圖像混合的多解析度表示、疊代建模、環境自適應建模的新思路，研究了面向虛擬地理環境的樹木表示、三維建模與可視化方法。顧及虛擬地理環境在逼真性和效率上的雙重要求，研究了具有三維結構、幾何-圖像混合式樹木多解析度表示模型、針對樹木多級分支結構的模型動態簡化方法、基於實例化思想的大規模樹木模型最佳化組織與管理方法。針對實地樹木無法逐一完整量測建模而虛擬場景又需要大批與之相似、與環境相配的樹木模型的問題，重點研究了基於影像和掃描點雲相結合的樹木三維重建、環境自適應的模型批量生成方法。 首先，顧及樹木自身結構特徵以及幾何與圖像在形態和細節表達上各自的優勢，提出了一種精細度適當的三維樹木表示模型：幾何與圖像動態混合的多解析度表示模型，即以幾何表達樹木的枝幹系統、以紋理圖像表達樹葉與表皮的外觀細節。這種結合式表示可在模型粒度、真實感、效率之間取得良好平衡。進一步地，將幾何-圖像混合表示組織為多解析度形式。原始混合模型隨著解析度的降低，從末梢小枝開始、依序逐級將整個枝系（子樹）替換為“簡單面片+枝系紋理”的表示，這是一個“幾何--＞圖像”的動態轉化過程。 針對樹木模型要與真實樹木在整體結構和外觀相似但又需批量生成的要求，提出了基於實測數據、正向建模與逆向建模相結合的樹木疊代建模方法。具體研發了從樹木的掃描點雲中提取骨架及枝幹半徑等信息的逆向建模算法，設計實現了一種新的基於構成規則演化的建模方法，利用統計學習方法從提取的骨架中獲得樹木枝幹的構成規則，以之生成樹木模型；將生成模型與掃描點雲進行比對分析，疊代修正骨架及半徑，最終獲得最佳化的構成規則以批量建模。 針對真實環境中成片樹木相似但又各不相同的特點，研究實現了構成規則與隨機擾動相結合、顧及環境條件的相似樹木批量建模方法。 根據功能的相關性和實現的方便性，研發了一個樹木正向建模的原型系統，其中具體實現了幾何-圖像動態混合表示模型及多解析度轉化機制、環境自適應的相似模型批量生成方法。 項目提出的正逆向疊代的樹木建模方法具有一定的創新性和科學意義，建模原型系統可套用於虛擬地理環境、軍事與農業仿真、增強現實與混合現實等領域，具有相當的實用價值。