（计算机应用技术专业论文）基于图像的虚拟环境建模技术研究.pdf

摹于图像的虚拟环境建模技术研究 i_ii i 摘要 随着计算机视觉技术的进一步发展，对虚拟场景的绘制技术的研究已经 成为虚拟现实系统研究的重要组成部分。传统的基于几何的虚拟场景造型方 法的研究是以计算机图形学为基础，其特点是便于用户与虚拟场景中的对象 进行交互，并能直接获取虚拟形体的深度信息，且视点自由，但由于该方法 的研究对于场景的几何复杂度具有依赖性，难以在普通的硬件平台上实现。 而基于图像的虚拟场景绘制方法是利用图像像素作为基本的绘制元素，绘制 速度独立于场景复杂性，仅与图像的分辨率有关。所以，当前针对虚拟场景 建模方法的研究主要集中在图像建模领域，尤其是基于图像的绘制( i b r ) 技术和基于图像的建模( i b m ) 技术。 鉴于自然界中植物形体的高复杂性，传统的建模方式通常是基于过程 的，在对模型的交互式控制上存在一定的困难：参数太少，不足以描述植物 形体的形态特征；参数太多，模型难以生成和理解。采取过程建模与基于图 像绘制相结合的方法可在一定程度上缓解该问题。本文第二章在生成植物形 体的过程中，利用b e z i e r 曲线作为顶点控制曲线，采用轴变形方法生成形态 各异、效果逼真的树干和分枝。对于叶片的生成，先采用b e z i e r 参数曲线描 述叶子中脉的形状，然后把树叶或草叶构成的星形结构纹理图像嵌入到叶脉 参数曲线的局部标架中。通过将几何模型的多样性与图像纹理的多样性相结 合，产生出各种各样的植物形体，实现植物形体的快速绘制。结合自然风力 模型和快速纹理合成技术可快速绘制风力场作用下的动态植物场景。 针对大规模复杂虚拟场景快速建模问题，本文第三章将其进行合理分 解，提出一种基于多视点照片序列的，针对非规则形体进行建模处理的方法， 避免了利用三维建模软件直接进行几何绘制周期较长、难于绘制，以及难于 应用三维重建等方法的诸多问题，是一种行之有效的应用方法。该方法在三 维场景中，可实时追踪浏览者的视点位置、动态投影对应照片，在实际应用 中可以达到较好的视觉效果。 三维重建是计算机图形学的重要分支，有着广泛的应用。基于图像的三 维重建技术可以直接从图像中提取纹理、可简单快捷的重构出高度真实感的 哈尔滨1 二程大学博十学位论文 三维模型，从而受到了广泛的关注。 针对规则形体的三维重建问题，本文第四章先通过特征提取和交叉匹配 获得足够多的特征点；然后对采集到的特征点以协方差为相似性度量，利用 初始匹配算法获得初始匹配点集合；对匹配过程中产生的错误匹配点采用松 弛匹配和最小中值法相结合的方法，进行分步匹配来剔除。然后通过空间点 重建和表面重建法重建出目标对象的三维模型，并从采集的图像中提取真实 纹理，对图像进行二维三角化，三角化的二维点列再映射到三维空间，为三 维模型添加纹理，得到具有真实感的外观模型。 针对不规则形体的建模问题，本文第五章详细研究了三维网格表面重建， 从图像中获取物体的三维表面点信息，进而对表面点进行三角网格化，从而 恢复出具有真实感的三维物体的网格表面模型。为满足真实感效果和重建精 度，首先进行了摄像机自定标，通过基础矩阵和k r u p p a 方程计算得到摄像机 的内外部参数；然后给出了搜索三维物体表面点的算法，通过判断空间点与 图像阴影的位置关系确定物体表面点，从而搜索得到物体的三维表面点集。 由于得到的三维物体表面点是离散分布的，需要对离散的点云数据进行三角 网格化，本文采用了局部投影法进行三角化，将得到的三维表面点进行了网 格化，得到了物体的网格表面模型。 关键词：基于图像的绘制；三维重建；相机自定标；点云；三角网格化 基于图像的虚拟环境建模技术研究 i i i i i i i i i i i i - - i t 一i 一i i i i i i i i i i i i 葺i i i i i i i i i i i i i i 宣i i i i i i i a b s t r a c t w i t ht h ef u r t h e rd e v e l o p m e n to fc o m p u t e rv i s i o nt e c h n o l o g y , t h er e s e a r c ho f v i r t u a ls c e n ed r a w i n gt e c h n o l o g yh a sb e c o m ea ni m p o r t a n tr e s e a r c hp a r to fv i r t u a l r e a l i t ys y s t e m t h er e s e a r c ho ft r a d i t i o n a lg e o m e t r y - b a s e dv i r t u a ls c e n em o d e l i n g m e t h o d si sm a i n l vd e p e n d so nc o m p u t e rg r a p h i c s i t sm a i nf e a t u r e si n c l u d e ：t h e i n t e r a c t i o nb e t w e e nt h eu s e ra n d 也ev i r t u a lo b j e c t si sc o n v e n i e n t t h ed e p t h i n f o r m a t i o no fv i r t u a lo b je c t sc a nb ed i r e c to b t a i n e da n dt h ev i e w p o i n ti sf r e e l y o nt h eo t h e rh a n d a st h er e s e a r c ho ft h i sm e t h o di sm a i n l yd e p e n do nt h e g e o m e t r i cc o m p l e x i t yo fv i r t u a l s c e n e i ti sd i 衔c u l tt oa c h i e v ei no r d i n a r y h a r d w a r ep l a t e f o r m t h ei m a g e b a s e dv i r t u a ls c e n ed r a w i n gm e t h o du s ep i x e la s t h eb a s i cr e n d e r i n ge l e m e n t ，t h er e n d e r i n gs p e e di si n d e p e n d e n tw i t ht h es c e n e c o m p l e x i t y , i ti so n l yd e p e n do nt h er e s o l u t i o no ft h ei m a g e a sar e s u l t ，t h e c u r r e n tr e s e a r c ho fv i r t u a ls c e n e m o d e l i n gm e t h o d si sm a i n l yf o c u s e d i n i m a g e b a s e dm o d e l i n gf i e l d ，e s p e c i a l l yi nt h ei m a g e b a s e dr e n d e r i n g ( i b r ) a n d i m a g e b a s e dm o d e l i n gf i b m lt e c h n i q u e s c o n s i d e ro fh i 曲c o m p l e x i t yo fm a n yp l a n tb o d y , t h et r a d i t i o n a lm o d e l i n g m e t h o d sa b o u tt h e s es p e c i e sa r eb a s e do np r o c e d u r a lm e t h o d s ，a n dt h e r ee x i s t c e r t a i nd i f f i c u l t i e si ni n t e r a c t i v ec o n t r o lo v e rt h ep l a n tm o d e l ：i ft h ep a r a m e t e r s a r et o o1 i t t l e i ti sn o te n o u g ht od e s c r i b em o r p h o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h ep l a n t b o d y ；o nt h eo t h e rh a n d ，i ft h ep a r a m e t e r sa r et o om a n y , t h em o d e li sh a r dt ob e r e n d e r e da n dc o m p r e h e n d e d t oc e r t a i ne x t e n t ，t h i sp r o b l e mc a l lb e s o l v e d t h r o u g hc o m b i n i n gp r o c e d u r a lm e t h o da n di m a g eb a s e dr e n d e r i n gm e t h o d i n s e c o n dc h a p t e r ，w eu s eb e z i e rc u r v ea st h ea x i a ld e f o r m a t i o nc o n t r o lc u r v et o g e n e r a t ev a r i e t yt r u n k sa n db r a n c h e s a sf o r1 e a v e sg e n e r a t i o n w eu s eb e z i e r c u r v e st od e s c r i b es h a p eo fl e a fm i d r i b a n dt h e ne m b e dt h es t a rt e x t u r ei m a g eo f 1 e a fi n t ot h es p a c eo fl p e a lf r a m e sa l o n gt h em i d r i bc a r v e a tl a s t 。w eu s et h er a p i d s t a rt e x t u r em a t c h i n gt os y n t h e s i z et h es p e c i a lp l a n t t h r o u g hc o m b i n i n gt h e d i v e r s i t yo fg e o m e t r i c a lm o d e la n dt h ed i v e r s i t yo fi m a g et e x t u r e t h ev a r i e t yo f p l a n tb o d y sc a nb eg e n e r a t e da n dt h er a p i dr e n d e r i n gc a na l s ob er e a l i z e d b a s e d o nt h es a m ep l r i c i p l e 。i fw ec o m b i n et h en a t u r a lw i n dm o d e la n dr a p i dt e x t u r e s y n t h e s i st e c h n o l o g y , t h ed y n a m i cp l a n ts c e n eu n d e rw i n df i e l dc a nb eg e n e r a t e d r a p i d l y i nt h et h i r dc h a p t e r , w ed i s c u s st h er a p i dm o d e l i n gp r o b l e mo fl a r g es c a l e v i n u a ls c e n e r e a s o n a b l ed e c o m p o s et h et o t a ls c e n ea n dp r e s e n tam o d e l i n g m e t h o da p p l yt on o n - r e g u l a ro b j e c t sb a s e do nm u l t i v i e w p o i n tp h o t os e q u e n c e s i t c a na v o i dm a n ya d v e r s ef a c t o r se x i s ti nd i r e c td r a w i n gp r o c e s sw i t h3 dm o d e l i n g 哈尔滨r 丁程大学博十学伊论文 s o f t w a r es u c ha st h el o n gr e n d e r i n gc y c l e d i f f i c u l t i e si nd r a w i n ga n dd i 伍c u l t i e s i na p p l y i n g3 dr e c o n s t r u c t i o nm e t h o d i ti sae f f e c t i v em e t h o d u s i n gt h i sm e t h o d i n3 dv i r t u a ls c e n e ，w ec a nr e a l - t i m et r a c k p o s i t i o no fv i s i t o r sv i e w p o i n t ， d y n a m i cp r o je c tc o r r e s p o n d i n gp h o t o sa n da c h i e v eb e r e rv i s u a le f f e c ti np r a c t i c a l a p p l i c a t i o n t h e3 dr e c o n s t r u c t i o ni sa ni m p o r t a n tb r a n c hi nc o m p u t e r 汀a p h i c sa n dh a s e x t e n s i v ea p p l i c a t i o n u s i n gt h ei m a g e b a s e d3dr e c o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g y , w e c a ne x t r a c tt e x t u r e sf r o mi m a g e sa n dq u i c k l yr e c o n s t r u c th i g h l yr e a l i s t i c3 d m o d e l s oi th a sr e c e i v e de x t e n s i v ea t t e n t i o n i nt h ef o u r t hc h a p t e r , w ed i s c u s st h e3 dr e c o n s t r u c t i o np r o b l e mo fr e g u l a r o b je c t s f i r s t l y , t h e s u f f i c i e n tf e a t u r e p o i n t s a r eo b t a i n e dt h r o u g hf e a t u r e e x t r a c t i n ga n dc r o s sm a t c h i n gp r o c e s s s e c o n d l y , w et a k ec o v a r i a n c ea st h eb a s i s o fs i m i l a r i t ym e a s u r ea n du s ei n i t i a lm a t c h i n ga l g o r i t h m st oa 1 1f e a t u r ep o i n t st o g e tt h ei n i t i a lm a t c h i n gp o i n ts e t a st ot h ew r o n gm a t c h i n gp o i n t sg e n e r a t e di n m a t c h i n gp r o c e s s ，w ec o m b i n el p o s em a t c h i n gm e t h o da n dl e m d sm e t h o dt o i m p l e m e n tt h em a t c h i n gp r o c e s ss t e p - b y s t e pa n df i n a l l yr e m o v et h e m t h i r d l y , t h es p a c ep o i n tr e c o n s t r u c t i o na n ds u r f a c er e c o n s t r u c t i o nm e t h o da r eu s e dt o r e c o n s t r u c tt h e3 dm o d e lo ft a r g e to b j e c t ，a n da tt h es a m et i m e ，t h er e a l i s t i c t e x t u r ei se x t r a c t e df r o mt h ec o l l e c t e di m a g e s f i n a l l y , t h e2 di m a g e si s t r i a n g u l a r i z e da n dt h e nm a p p e di n t o3 ds p a c e t h et e x t u r ei sa d d e dt ot h e3 d m o d e l t h er e a l i s t i ce x t e r i o rm o d e li so b t a i n e d i nt h ef i 讹c h a p t e r ，w ed i s c u s st h e3 dr e c o n s t r u c t i o np r o b l e mo fi r r e g u l a r o b j e c t sa n dm a i n l yf o c u s eo nt h e3 dm e s hs u r f a c er e c o n s t r u c t i o n t h e3 ds u r f a c e p o i n ti n f o r m a t i o ni so b t a i n e df r o mt h ei m a g e a n dt h e nt r i a n g u l a r i z e dt oc r e a t et h e r e a l i s t i c3 ds u r f a c eg r i dm o d e l s i no r d e rt om e e tt h er e q u i r e m e n t so fr e a l i s t i c e f f e c t sa n dr e c o n s t r u c t i o na c c u r a c y ，c a m e r as e l f - c a l i b r a t i o ni sr e a l i z e df i r s t l y , a n d t h ei n t r i n s i ca n de x t e r i o rp a r a m e t e r so fc a m e r ai so b t a i n e dt h r o u g ht h ef o u n d a t i o n m a t r i xa n dk r u p p ae q u a t i o nc o m p u t a t i o n a st h es e c o n ds t e p ，t h es u r f a c ep o i n t s s e a r c h i n ga l g o r i t h mo f3 do b j e c ti sg i v e n ，t h es u r f a c ep o i n t sa r ed e t e r m i n e db y j u d g i n gt h ep o s i t i o nr e l a t i o nb e t w e e ns p a c ep o i n t sa n di m a g es h a d o wa n dt h e nt h e 3 ds u r f a c ep o i n t ss e ti sc r e a t e d b e c a u s et h e3 ds u r f a c ep o i n t sa r ed i s c r e t e ，t h e d i s c r e t ep o i n tc l o u dd a t an e e dt ob et r i a n g u l a r i z e da n dg r i d e d i nt h i sp a p e r , t h e l p e a lp r o j e c t i o na l g o r i t h mi su s e dt ot r i a n g u l a r i z et h ep o i n tc l o u dd a t aa n dt h e n o b t a i nt h em e s hs u r f a c em o d e lo ft a r g e to b je c t k e y w o r d s ： i m a g e b a s e dr e n d e r i n g ； 3 dr e c o n s t r u c t i o n ；c a m e r a s e l f - c a l i b r a t i o n ；p o i n t sc l o u d ；t r i a n g l eg i l d e d 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：互位生 日期：训哆年月日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 口在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：王饪兰 日期：力多年6 月j 日 导师c 签字，：群弓7 k 四 刎多年易月学日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 研究的目的及意义 现代科学技术的发展给当今社会带来了一场空前的革命，虚拟现实技术 是在这场革命中应运而生的一项新技术，它以计算机视觉技术为基础，涉及 计算机图形学、图像处理、人机交互技术、人工智能等多个学科和领域。在 计算机中再现现实世界中的真实三维场景，是计算机工作者长期的追求目标。 近年来，三维可视化技术、虚拟现实技术及实时真实感图形学技术的发展， 使计算机绘制各种复杂逼真的三维场景成为可能。 虚拟现实技术就是要利用各种先进的硬件技术和软件工具，设计出合理 的硬件、软件及交互手段，使参与者能交互式地观察和操纵系统生成的虚拟 世界，获得全范围的感受。一个完善的虚拟现实系统必须具备3 i 基本特征【l 】： ( 1 ) 沉浸感( i m m e r s i o n ) ；( 2 ) 交互( i n t e r a c t i o n ) ；( 3 ) 想象( i m a g i n a t i o n ) 。 其中沉浸感特征要求系统能使用户真切地感受到虚拟场景的存在；交互性是 指用户能对虚拟场景中的景物以自然和谐的方式进行交互操作；想象是指虚 拟环境可使用户从中获取新知识，提高感性和理性认识，从而萌发新创意。 虚拟现实技术的发展始终围绕这三个特征进行。 虚拟现实是多种技术的综合，其研究内容包括虚拟环境建模技术、交互 技术和系统集成技术等多个方面，而虚拟环境建模技术则是其中最核心的研 究内容，建模的目的是获取实际环境的三维数据，并通过真实或虚实结合的 方式创建模型。 过去的十几年里，真实物体的三维模型经常是由用户手工创建的，而且 需要诸如激光扫描仪等昂贵的设备。因此利用廉价设备自动得到真实物体三 维模型的技术在实际应用领域里具有非常重要的意义。另一方面，随着计算 机视觉理论的逐渐成熟，从图形中获取物体表面的三维信息的理论和算法已 经达到了实际应用阶段，使用立体视觉技术和光度立体技术等一系列图形学 算法可以从图像中自动提取目标物体的三维结构信息，而这些技术需要的设 备仅仅是一台数码相机，所以通过应用计算机视觉理论，从真实物体图像中 恢复物体三维结构的技术是得到物体三维模型的比较廉价的手段，这就是基 堕笙鎏王堡盔兰：堡主堂堕笙奎 于图像的三维重建技术。 基于图像的三维重建方法的研究一直是计算机视觉领域最热门的研究方 向之一，它主要研究如何从图像的二维信息中提取物体在空间中的三维信息。 基于图像的重建方法属于一个多学科交叉的研究领域，是虚拟现实、计算机 图形学和图像处理等技术在工程中的重要应用，它涉及数字图像处理、计算 机图形学、虚拟现实以及工程领域的相关知识。三维重建要经过图像特征提 取、特征匹配、关键点重建、三角化以及数据融合等关键过程生成物体完整 的三维结构。 相对于传统的重建方法，基于图像的三维重建具有简单、灵活、可靠、 适用范围广等特点。基于图像的三维重建及可视化技术在遥感、手术规划、 虚拟现实、计算机动画、显微摄影学、三维测量、计算流体力学、有限元分 析、军事模拟等方面都有重要的应用，具有广阔的应用前景。对基于图像的 三维重建的研究，具有重要的学术意义和应用价值。 对基于图像的三维重建技术的研究意义深远，体现在如下几个方面： ( 1 ) 基于图像的三维重建技术改变了传统图形学中的建模和绘制流程、 方法，对基于图像三维重建技术的深入研究有可能进一步地改变我们以往的 认识和理念，因此，基于图像建模研究具有重要的理论意义。 ( 2 ) 基于图像的三维重建研究是一个交叉领域，涉及到计算机图形学、 计算机视觉、计算机图像处理等诸多学科，因此，对基于图像建模技术的深 入研究可以推动各个学科的发展，并促进这些学科的交叉与融合。 ( 3 ) 相对于其他建模方法，基于图像建模技术在创建具有高度真实感的 三维模型上具有巨大的优势，在诸多领域中具有极其广阔的应用前景，因此， 基于图像建模研究具有重要的实践意义。 1 2 真实感图形生成算法研究现状 真实感图形生成技术是计算机图形学的一个重要组成部分，早在1 9 6 7 年，计算机绘制真实感图形就被提出，只是由于当时计算机运算速度慢，图 形显示设备功能差，造价高，使其发展和应用受到了一定程度的限制。近四 十年来，随着计算机硬件技术的飞速发展，真实感图形生成技术取得了举世 嘱目的巨大成就，分形算法、粒子系统和基于图像的绘制等相继被提出和完 2 第】章绪论 i l i ：i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 宣i i i i i i i 善，真实感图形绘制技术也随之日益成熟。 1 2 1 分形方法 分形方法是一种利用形体结构的结构自相似性性质产生形体图形或图像 的方法。其中有l 系统，i f s ( i t e r a t e df u n c t i o ns y s t e m ：迭代函数系统) 法和 d l a ( d i f f u s i o nl i m i t e da g g r e g a t i o n ：扩散受限凝聚) 模型法等。 l 系统是美国植物学家l i n d e n m a y e r 【2 】于1 9 6 8 年提出的，它以形式化的语 言描述植物的结构和生长，由文法生成的句子代表植物，而句子生成的中间 过程是植物的生长发育过程。其后，s m i t h 等人将l 系统引入到植物模拟的 分枝拓扑结构研究中，并称之为文法构图( g r a f t a l ) 方法。l 系统能简洁地 描述植物的拓扑结构，例如枝条和花序结构，但较难模拟复杂植物形态。 迭代函数系统理论是由h u t c h i n s o n 和b a m s l e y 提出并发展的一种研究分 形集的数学方法。i f s 由一组能满足一定条件的映射函数孵及一组变换发生 的概率竹定义： i f s = ( w ，p 0 i = i ，2 ，n ( 、一、) 利用i f s 生成植物图像的过程是对初始植物图像按照已知概率选择函数 而实施的一种迭代变换。 d l a 模型是美国科学家w i t t e n 和s a n d e r 于1 9 8 1 年提出的。d l a 模型的 基本方法是：在一个平面网格上选定一个静止的微粒作为种子，然后在距种 子较远的格点上产生一个微粒，令微粒沿网格的上下左右四个方向随机行走。 如果该微粒在行走过程中与种子相碰，就凝聚到种子上；如果微粒走到边界 上，就被边界吸收而消失。如此重复上述步骤，就会以种子为中心形成一个 不断增长的凝聚集团。利用d l a 和其修正模型，可对部分植物的形态结构进 行计算机模拟，如模拟植物根系的生长过程和海藻类植物的形态结构等。 1 2 2 粒子系统方法 粒子系统方法是由w t r e e v e s t 3 】在1 9 8 3 年提出的，最早用于模拟火焰、 烟雾等，逐渐被用于生成真实感的景物【4 】如森林和草场等。其基本思想是采 用许多形状简单的微小粒子( 例如点、小立方体、小球等) 作为基本元素来 表示自然界不规则的模糊景物。粒子的创建、消失和运动轨迹由所造型物体 哈尔溟1 = = 程大学博士学伊论文 的具体特性控制，从而形成景物的动态变化。由粒子系统表示的物体，要么 是给定时刻粒子的位置，如火和焰火，要么是粒子的一部分运动轨迹，如草 和树。根据这种思想，可以用圆台状粒子组成植物的枝条，用小球状或小立 方体粒子组成叶子，只要建立了这些粒子的组合模型，就可以实现对植物形 态结构的模拟，粒子在生命周期中的变化会反映出植物生长发育直至最终枯 萎的过程。在模拟树结构时，会有多达3 0 个参数用于控制分枝的角度和枝干 的长度。粒子系统的一个主要优点是由于其几何图元是点，易于被变换和实 现反走样，r e e v e s 等采用粒子系统所绘制的森林是早期计算机生成虚拟自然 景物最有说服力的例子之一。其主要缺点是景物的表达涉及大量的基本图元， 因此设计过程较为繁琐和复杂，往往需要反复试验和修改，绘制时必须采用 专门的阴影计算方法，粒子系统的光照效果无法根据客观事实严格计算，且 粒子系统构造的树木看起来有比较明显的人工痕迹，缺乏高度真实感。 1 2 3 三维结构模型 三维结构模型是一种基于植物形态结构进行几何描述的模拟方法。目前 这一方法包括基于静态结构的几何设计方法和基于动态结构及其调节的生长 法两种。 几何设计法以一组几何描述量和描述规则产生植物的几何结构，并以此 建立植物的三维结构模型。该模型以植物特定的分枝模式为基础，使用分枝 角、分枝长度比例、吸引子等几何量，实施对植物几何结构的控制修改。这 种方法能迅速直观地建立植物的各种形态结构，但依赖于设计者对植物几何 外观的认识，难以生成植物在不同时期的生长序列，无法反映植物潜在形态。 生长法通过对植物生长发育过程的模拟而得到植物的形态结构。不同的 生长发育控制手段将会产生不同的模拟算法，有的控制手段仅与植物自身的 结构相关，有的采用“虚拟的植物激素”作为生长发育的调节手段。生长法 对植物形态结构以及生长发育有很强的模拟潜力，适合于以植物学、生理学 和生态学为依据的植物模拟研究。 三维结构中由多边形等几何面所构造的植物可采用多种成熟的真实感图 形绘制手段，如局部光照模型，z b u f f e r 深度消隐和阴影生成方法、光线跟 踪方法、辐射度方法等。考虑到场景的复杂性，一般采用z b u f f e r 深度消隐 4 第1 章绪论 iii - ：iii：iii i i i i 和阴影生成方法绘制近距离的阔叶植物。对于远距离的植物，w e b e r 首先对 模型进行简化，根据植物的远近采用多分辨率的绘制手段【5 】。虽然w e b e r 提 供的绘制结果质量较高，但远处植物简化后颜色过于单一，造成绘制结构模 糊不清。l l u c h 6 】则基于参数化的l 系统对树可视部分赋予不同的分辨尺度， 利用l o d 技术降低多边形的使用数，提高了绘制了速度和质量。 1 2 4 基于三维纹元的方法 1 9 8 9 年由k a j i a y a 和k a 7 】提出的纹元，是用来近似表示许多微面总体光 学特性的一个三维参数数组。纹元数组空间中任意一个纹元均存储如下三部 分的内容：密度标量p ，表示该体元包含的所有微面的近似投影面积；结构场 夕，表示该体元中各微面的局部方向；光照模型，它决定将有多少光线从 微面散射出来。纹元结构组成了一个三维数据场，绘制时采用体绘制技术。 体纹理是描述复杂场景的重要工具，同二维纹理一样，采用三维纹理的 依据是自然景物的重复性。相同物种在形态和结构上通常都比较类似，比如 相同品种的树木、杂草等。对每一品种的植物构造有限个体纹理模型，再将 这些体纹理映射到自然场景中，只要纹理映射尺寸、纹理形状和映射方向有 一定随机性，所构造出来的自然场景的视觉效果就可以接近真实场景。对原 始纹元结构做调整后，n e y r e t 8 】提出了利用纹元结构构造和绘制草地和树木的 方法。c h i b a 9 则进一步消除生成图像中体纹理与地形截面产生的变形。基于 纹元的方法对毛发和草地有较好的绘制效果，但对其它植物的适用性较差。 1 2 5 基于图像的绘制方法 基于图像的绘制( i m a g eb a s e dr e n d e r i n g ，简称为i b r ) 技术是基于图像 建模方法研究的一个重要分支，它利用二维的图像信息来表达、绘制场景， 以达到比较好的真实感和实时性，由于它脱离了对象的3 d 结构，绘制过程 与场景复杂度无关。 基于图像的绘制( i b r ) 方法是在本世纪八十年代由l i p p m a n 提出来的 一。，能以极少的多边形构造和绘制高度复杂的自然场景一。根据虚拟照相 机即视点和视线的运动方式，i b r 方法大致可分为三类： ( 1 ) 基于光场的方法 哈尔滨t 程大学博十学何论文 光场重建技术是在全景函数重建技术上发展起来的一种新的i b r 技术， 该方法不需要对象的深度、特征等几何信息，就能生成任意视点的视图。 一般的，全景函数通过一个参数方程来描述，它定义了空间任一处，任 一时刻和任意波长范围内场景中的所有可见信息，对空间中的任意视点， 吖比k 列，从该视点出发的任意一条视线均可用一个球面角0 和由来定义， 若记光的波长为q 、1 3 和y ，则在t 时刻视点v 处的全景函数可定义为 p = p ( o ，一，旷，f ) ，事实上，全景函数刻画了一个给定场景的所有可能的 环境映照，因而它以图像的方式给出了场景的精确描述，它生成了一帧给定 视点沿特定方向的视图。因此，基于图像的图形绘制问题可以描述为：给定 全景函数的离散样本集合，生成该全景函数的一个连续表示，基于这一描述， i b r 可分成基于全景函数的采样、重建和重采样三个过程。 一般来说，全景函数的获取是非常困难的，因为它所包含的信息远远超 出了当前计算机的处理能力，m c m i l l a n ” 等对场景进行采样，并采用无底圆 柱环境映照来描述一个采样点处的全景函数，然后采用投影变形函数来建立 两个相邻采样点环境映射之间的过渡，尽管在每一个采样点处，全景函数降 为二维函数，但从总体上来看，该算法仍然是五维函数。在一定条件下，可 以将五维的全景函数降为四维，这就是l e v o y ( 1 4 】等人的光场函数重建算法和 g o r t l e r 1 5 等的l u m i g r a p h 方法，就目前状况看，光场函数重建技术还不足以 用来绘制一般场景，达到较为通用的地步，许多问题仍待解决。 ( 2 ) 视图插值方法 视图插值方法可以对二维的图像按照形状插值来模拟和近似三维的图 形变换。在该方法中，虚拟照相机可以沿着限定的路径运动，视线可以转动， 视点可以移动，但都是受限的，无法做到任意漫游。常见的情况是利用两幅 或多幅图像进行基于视点的插值运算，计算中间图像，从而达到视点变化效 果。进行视图插值运算时，必须己知两幅或多幅图像上的对应点关系。 ( 3 ) 全景图方法 当人站在某一个固定地点不动，视线向任意方向转动，视网膜所得到的 图像在i b r 中可以称为“全景”。在该方法中，虚拟照相机的位置被固定在一 个很小的范围中，但可以沿着三个方向转动，相当于视点固定不动，视线可 以任意转动。其实质是将某视点所能见到的所有图像都保存下来，显示时根 6 第1 章绪论 据视线的方向把相应的图像显示出来。对于全景图方法，要解决的关键问题 有两个，一是如何有效地存储从视点处获取的图像：二是如何快速有效地将 某个视点方向的图像数据显示出来。 表l 。1 是对i b r 方法的一个比较。 表1 1i b r 方法比较 t 如1 e1 1t h es u m m a r i z eo f l b r 特点 光场方法视图插值全景图 场景要求要求无遮挡要求无遮挡要求无遮挡 视点要求任意按照固定路径移动视点在相机中心附近 视线要求 任意在固定路径移动视线任意 样本要求采样要求高采样简单，样本多采样简单，样本少 模型表达四维，无视点参数五维，需视点参数二维，需视线参数 输出特点简单，无空洞、重叠复杂，有空洞、重叠复杂，无空洞、重叠 由表1 1 可知，与传统的基于几何模型的方法相比，i b r 方法避免了基 于几何方法建模的不合理性，同时由于这些图像来自于真实世界，在真实感 方面是传统基于几何方法所无法比拟的，可以达到很高的逼真程度。 i b r 方法还有一个很大的优点就是它的绘制与场景复杂度无关，无论是 全视函数方法还是全景图方法，场景模型一旦建立，绘制时与场景复杂度没 有关系，这在建立大规模、高度复杂的真实感场景方面尤其重要。i b r 方法 基本上都是直接对图像操作，其显示只和图像大小有关，当图像大小固定时， 刷新频率趋于常量。 从另一方面看，i b r 方法也存在一定局限性，首先，i b r 方法的预处理 时间很长；其次，i b r 方法需要大量存储空间，在存储空间不能保证的情况 下压缩算法显得尤其重要。 1 2 6 真实感自然场景绘制方法 真实感自然场景生成的目标，就是要用计算机图形学的各种算法，构造 和绘制出真实自然界中存在的各种场景和现象，比如蓝天白云、山川河流、 花草树木、朝霞落日等。绘制的质量要求高度真实，能“以假乱真，使得 观察者能“身临其境”，在看到计算机所产生的图像时，如同置身于大自然 哈尔滨t 程大学博十学伊论文 中。这样，自然场景的真实感图形生成技术才可以用来构造逼真的虚拟环境。 真实自然界丰富多彩，山川平原的地质地貌形状各异，植物种类繁多， 要其进行完全准确细致的描述，当前的计算机软硬件水平还远远不能满足要 求。况且许多应用领域要求实时绘制，这也不允许我们对场景的描述过于精 确和复杂。到目前为止，自然场景的计算机构造和绘制主要包括如下几个方 面的技术： ( 1 ) 地形的构造和网格简化技术； ( 2 ) 植物的构造和绘制技术： ( 3 ) 云彩的构造和绘制技术： ( 4 ) 雨雪和水波的模拟和绘制技术等。 本文研究的主要是植物的生成和动态场景的绘制，因此下面仅介绍与此 相关的内容。 计算机图形学对植物的研究主要集中在造型和绘制上，自6 0 年代起， 人们在植物构造和绘制方面的研究有了长足的发展。最著名的是 l i n d e n m a y e r 和p r u s i n k i e w i c z ，开创了计算机生成植物的里程碑。1 9 6 8 年， l i n d e n m a y e r 提出了l 系统，并与p r u s i n k i w i c z 将其用于树木及其它植物的 造型 1 6 】上；a o n o 和k u n i i 在生成植物中引入枝间的相互吸引、抑制作用及其 夹角的统计变化机制，对分枝的分布作了详细的估算【1 7 】；d e r