基于深度网格的大规模森林场景的动态模拟

为了降低大规模森林场景的数据量和较真实地模拟其在风力作用下的动态效果,提出一种完全基于GPU的森林场景动态模拟方法.首先采用一种基于深度图像并重建几何的方法对树模型进行优化,在优化后的模型中内建了多个层次细节,并进行有效的压缩;然后采用随机过程的方法对风场建模,用简化的过程式方法计算风力作用下树的位移和形变.实验结果表明,该方法可以实现以8 MB存储空间和85 MB显存空间为代价、实时模拟数量高达10万棵的大规模森林场景在风场作用下的动态效果,且模拟效果好、质量高.     

森林场景可视化和林火模拟仿真技术研究综述

森林是生态环境系统的重要组成部分。随着气候变暖,恶劣气候气象条件造成全球森林火灾频繁发生,给国民经济和消防救援带来巨大挑战,森林火灾已成为全球主要的自然灾害。因此,森林场景可视化建模、3维场景仿真、林火模拟仿真、火场复现、预测和灾害评估成为林业虚拟仿真研究热点。本文对树木形态结构建模技术、森林场景大规模重建和实时渲染、森林场景可视化、林火模型和林火模拟仿真等前沿技术和算法进行综述。对相关的林木、植被的形态结构表达和真实感可视化建模方法进行归纳分类,并对不同可视化方法的算法优劣、复杂度、实时渲染效率和适用场景进行讨论。基于规则的林木建模方法和基于林分特征的真实场景重建方法对大规模森林场景重建技术进行分类,基于物理模型、经验模型和半经验模型对森林火灾的林火模型、单木林火、多木林火模拟和蔓延进行总结,对影响林火蔓延的不同环境气象因子（如地形地貌、湿度、可燃物等）和森林分布对林火发生、扩散和蔓延的影响进行分析,对不同算法的优劣进行对比、分析和讨论,对森林场景可视化和林火模拟仿真技术未来的发展方向、存在问题和挑战进行展望。本文为基于森林真实场景的森林火灾模拟仿真和数字孪生沉浸式互动模拟系统的构建提供了理论方法基础,该平台可以实现森林场景快速构建、不同火源林火模拟、火场蔓延模拟仿真以及不同气象影响条件的火场预测,可对森林火场救援指挥、火场灾害评估和火场复原提供可视化决策支持。     

多风格融合的复杂森林场景自适应可视化

为了保证森林场景可视化时的真实感,同时保持动态森林场景生成时间的恒定性,本文提出了一种多风格融合的复杂森林场景自适应可视化方法。该方法利用基于视距的模型分布函数来控制树木模型的分布比例,从而建立多风格融合的森林可视化模型;在此基础上,根据复杂森林场景中树木生长模型的计算时间、三维树木绘制时间的估算结果,以及树木的视觉重要性,确定生成森林场景的最佳方案。该方法能够使复杂动态森林场景的生成时间保持较好的稳定性,并且在可视化过程中根据仿真效果动态调整绘制策略。为了验证该方法的有效性和实用性,在动态生长的森林仿真场景中对本文的方法进行了实验和应用。应用结果表明,多风格融合的森林场景自适应可视化方法能在保证森林场景可视化真实感的基础上,有效地提升复杂森林场景的绘制速度,使森林场景的快速漫游具有更好的稳定性和流畅性。     

基于视点互信息的树叶实时简化方法

三维树木模型在虚拟地理环境, 三维城市场景等领域中应用广泛, 但由于树木中包含丰富的几何信息, 难以对大规模的森林场景进行有效的渲染. 为此我们设计了一种基于视点互信息(Viewpoint Mutual Information, VMI)的树木实时简化方法. 在预处理中按照树枝间的拓扑关系将树木划分为具有父子关系的节点, 然后根据VMI计算每片树叶在多个视点下的平均重要度并以此对树叶进行排序, 重要程度较小的树叶在简化过程中将会被优先删除. 实时简化过程中, 我们提出了一种视点依赖的简化方法, 大大降低了需要渲染的数据量. 为了提高渲染森林场景时的性能, 我们使用了多种渲染优化措施以避免不必要的细节层次(Level Of Detail, LOD)切换.     

面向GIS的动态树木建模研究

树木是动态的实体,具有生长及四季变化的特性.目前,面向GIS的树木建模主要采用贴图法等静态的建模方法,无法表现树木的动态特性.基于时变L系统提出了一种面向GIS的动态树木模型.该模型能模拟树木不同的生长阶段及四季变换,并采用存储L系统公式及参数的方法,存储量小,适合GIS环境下对树木有动态变化的应用需求.     

3维复杂树木场景建模及动画制作

为了对3维复杂树木场景进行真实感强的建模和动画制作,在“桃林”和“毛白杨”两项场景建模及动画制作研究工作的基础上,探讨了一种适合3维复杂树木场景建模及动画制作的优化方法。该方法首先把复杂树木场景,根据对视觉影响大小的不同分解为近景和远景;然后在建模和动画制作过程中,采用不同的技术进行处理,其中,对近景树木可基于粒子系统进行建模和动画制作,而对远景则根据需要分别采用树木层叠环形柱状背景,以及约束平面贴图的方法进行建模和动画制作。由此建立的复杂树木场景,不仅近景生动逼真,而且远景也能获得理想的视觉效果,从而实现了简化模型与视觉效果之间的平衡。     

基于L-系统的真实感树木生成算法与实现

为了降低虚拟场景中树木等地物的模拟难度,提出一种基于L-系统的三维树形生成算法。树形采用一种五元组的数据结构进行表示,利用L-系统的文法构图思想,采用多规则文法,简化树形的生成算法,并在该算法的基础上,结合真实纹理和透空树木的生成方法,构造一种真实感三维树木的生成方法,实现三维树木的真实感显示。试验结果表明,树形生成算法简单通用,利用该算法可以有效地模拟多种形态的树木,完全控制树木生成的数据量,可用于大型树木场景的建模中。     

风场作用下的动态森林场景的实时仿真

为真实地模拟树在风中摇曳的动态效果,将风场视为一个随机过程(场),利用谱分析的方法生成给定条件下的风速矢量场;进而采用简化的动力学方程,实时计算风力作用下树的位移和形变.采用一种混合式几何和图像的表示方法对树木进行参数化建模,并在模型中内建多个细节层次,以便加速场景视点相关的绘制.综合以上算法的交互式漫游系统能实时地模拟包含数千棵树的森林场景在风场作用下的动态效果,初步满足了虚拟现实、战场仿真与数字娱乐等应用的要求.     

基于规则的Web3D森林模型的轻量化构建

树木的建模仿真因其结构十分复杂数据量巨大一直以来都是WebVR领域中极具挑战的研究课题。尤其是目前随着网上三维虚拟场景的急剧扩张,海量WebVR虚拟森林场景在用户端的实时下载请求和有限网络带宽之间的矛盾亦变得日趋突出。提出了基于L-system的Web3D虚拟树木语森林的轻量化建模方法,基于树木L-System描述体系的自相似性和基于重用的WebVR轻量化建模思想,成功地将虚拟树木/森林场景转化为极为轻量化的Web3D文件,甚至只有十几kB大小,即便网络带宽很低的情况下,也非常适于网上的实时传输与漫游,在一定程度上解决了该瓶颈问题。     

森林空间数据的时变性分析与仿真

从林分结构规律出发,采用整体到个体的方法,从森林资源二类调查的林分因子的整体信息获得树木个体信息的几何特性,应用自然稀疏规律及树木竞争与生长模型来对森林空间数据进行时变性分析与仿真.其研究结果能够为树木、森林的动态过程模拟建模提供足够详细、可靠的数据源,从而实现整个虚拟森林生长的动态变化.     

一种实现森林场景漫游的几何与图像混合绘制方法*

提出了一种基于粒子系统和Particle System API的景物模拟方法,并采用Line方式取代传统的Point方式渲染粒子,结合纹理映射方法实现了多种喷泉模拟。实验证明用该方法模拟喷泉效果比较真实,速度快,在普通微机上可以得到令人满意的效果。     

基于自适应二叉树的场景视锥体裁剪算法

建立逼真而丰富的三维场景是可视化领域的主要任务.场景的数据管理和可见性判断对后续渲染的质量和效率起到了至关重要的作用.为了弥补传统场景组织方式在实际应用中的缺陷,本文采用自适应二叉树场景组织算法对场景进行管理,采用层次化裁剪的方式对场景树的节点进行视锥体裁剪,在裁剪过程中所操作的对象是节点中的包围球和包围盒.实验表明,这种基于包围球和包围盒的层次化的视锥体裁剪算法大大的减少了参与裁剪的节点的数量,提高了裁剪的精确性,具有较好的裁剪效率和较高的稳定性.     

虚拟白桦纯林的雷达后向散射模拟

首先联合利用森林生长模型和分形树模型系统建立白桦纯林的空间虚拟场景并记录场景中每个散射体的方位和坐标信息,然后将此信息输入到森林植被雷达相干散射模型中进行后向散射模拟,最后分析不同的白桦结构分布对雷达后向散射的影响,以便对白桦纯林的雷达图像进行定量分析。     

A motion-based scene tree for browsing and retrieval of compressed videos

This paper describes a fully automatic content-based approach for browsing and retrieval of MPEG-2 compressed video. The first step of the approach is the detection of shot boundaries based on motion vectors available from the compressed video stream. The next step involves the construction of a scene tree from the shots obtained earlier. The scene tree is shown to capture some semantic information as well as to provide a construct for hierarchical browsing of compressed videos. Finally, we build a new model for video similarity based on global as well as local motion associated with each node in the scene tree. To this end, we propose new approaches to camera motion and object motion estimation. The experimental results demonstrate that the integration of the above techniques results in an efficient framework for browsing and searching large video databases.     

面向虚拟森林仿真的多层场景引擎设计

为快速绘制具有真实感的大规模虚拟森林场景,在分析虚拟森林场景仿真特点的基础上,提出面向虚拟森林仿真多层场景引擎的总体结构,对该场景引擎中的实时地形生成技术、地形模型的简化算法和渲染加速等关键技术展开研究,开发了虚拟森林仿真系统。应用结果表明,面向虚拟森林仿真的多层场景引擎有助于提高复杂森林场景的绘制效率,能较好地满足用户进行实时漫游和交互控制的需求。     

成年树光照资源仿真的快速计算

光照是树木生长需要的重要资源,是树木生长仿真计算中必不可少的因素.但在森林演化的计算机模拟中,由于光照模拟的复杂性,使得光照模型的计算量十分巨大.本文采用了光照指数(Gap Light Index,GLI)为因子的光照模型,并针对该模型开展了快速计算研究.由于该模型计算中存在着大量限制计算效率的几何求交运算,本文根据光照指数与植物暴露面积所具有的共同特点,提出采用基于暴露面积的计算方法来近似拟合GLI的值,并在并行计算架构CUDA上实现了该算法.最后通过不同实验比较,验证了本文提出的方法针对较大的树木规模,在保证较小误差率的前提下,获得了比GPU并行求交方法快数十倍以上的加速比.     

Tree Height and Diameter Extraction with 3D Reconstruction in a Forest based on TLS

In view of the low accuracy of Tree Height(TH) and Diameter at Breast Height(DBH) estimation,as well as the difficulty of individual tree modeling in dense forest,a method to extract forest structure parameters(TH and DBH) and reconstruct a Three-Dimensional(3D) model of forest in subtropical environment based on TLS point cloud data is proposed.The first step is to apply a multi-scale method to extract the ground points for the generation of Digital Elevation Model(DEM).Secondly,using similarity of principal direction between neighboring points and distribution density of points,trunk and other plant organs are separated.Next the trunk points are processed to automatically estimate the tree position and DBH by iterative least squares cylinder fitting;the tree height is automatically estimated by using the octree segmentation.Finally,by combining with the technology of individual tree modeling,a plot-scale 3D forest scene has been reconstructed by planting individual tree model on the terrain model iteratively.The results showed that the correlation coefficient of DBH is R²=0.996,and the average relative error was 2.09%,RMSE was 0.66 cm;the correlation coefficient of tree height is R²=0.972,and the average relative error was 2.16% with RMSE of 0.92 m.The plot-scale reconstructed 3D model of the forest can express the true shape of forest.