基于自适应布告板的三维树木表达方法

植被、地形以及人工建构筑物是三维虚拟地理场景可视化表达的基本内容,树木是植被的主要组成部分.由于树木自然形态的复杂性,其真实感表达非常困难.基于几何模型的树木表达可以产生逼真的细节,但场景实时渲染具有巨大的计算负担,而基于纹理的简化模型在真实感表达上有所欠缺,但具有更好的渲染性能.如何兼顾场景渲染效率与视觉真实感受一直是树木三维可视化表达的研究热点.本文提出一种基于自适应布告板的三维树木表达方法,该方法在通常的平面布告板方法基础上,根据视点与布告板的相对位置关系,从预先获得的多张树木影像中选取最符合视点与树木相对位置关系的影像作为树木纹理渲染于该布告板上,实现了布告板纹理的动态调整,使得不同视点下的树木渲染效果尽量接近真实,同时也具有布告板的渲染性能优势.本文基于WebGL在浏览器中构建了一个三维场景,其中包含若干树木模型.实验结果表明本方法在表达树林时,在浏览器这样的低渲染计算能力环境下也能取得可接受的渲染性能与表达效果.     

支持森林场景动态生成的树木生长模拟

为了解决传统L文法中树木建模困难和运行效率低的问题,提出了支持森林场景动态生成的树木生长模拟方法.该方法基于分形元建立树木模型,在此基础上对大规模树木实体实例化的简化算法进行研究,将基于视点的多分辨率简化模型融入树木建模方法之中,并选择典型树种进行生长模拟.实验结果表明,该方法能较真实地模拟树木的生长过程,并实现在虚拟森林场景中的实时漫游.     

基于OSG的分形L-系统三维树木仿真

对现实中的树木结构进行研究,在L系统的基础上对字符集进行扩展,设计了更加丰富的树木L文法描述,提出了比较符合树木生长过程的几何幂衰减规律,并结合图形渲染引擎OSG (open scene graph)实现了三维树木的树干部分的绘制.通过给树木的树干部分添加纹理、绘制树叶并给树叶添加阴影,使得绘制的树木更加真实自然.将绘制的树木作为一个节点加载到虚拟场景中,增强了虚拟场景的真实感.     

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.     

基于光场的渲染技术研究

基于图像的渲染技术(Image-Based Rendering,IBR)逐渐成为场景渲染的主要手段之一,目前已有大量的基于此技术的方法提出,其中光场渲染(Light Field Renderin,LFR)是在不需要图像的深度信息或相关性的条件下,通过相机阵列或由一个相机按设计好的路径移动把场景拍摄下来作为输入图像集,对于任意给定的新视点,找出该视点邻近的几个采样点进行简单的重新采样,就能得到该视点处的视图.本文采用两平面参数化的方法设计实施了一套光场渲染的软件方案,用光场渲染的方法实现了真实场景中物体的实时漫游.     

基于GPU投影网格的曲面渲染技术

研究曲面渲染技术对船舶、汽车、飞机造型虚拟的设计飞行器飞行实时仿真系统设计尢为重要.为了克服传统的曲面渲染方法的不足和提高实时性,充分利用图形处理器(GPU)不断提高的渲染能力,包括GPU的可编程性和高度并行计算特性,在GPU上实现了投影网格(Projected Grid)的视点相关的曲面渲染技术.从视点发出的投射光线穿过投影网格后,将根据可视化细节的重要程度,自动生成具有不同细节层次(Levels of Detail)的曲面网格,并且实时地更新网格的细节层次需求.在整个渲染过程中保持稳定的帧率,生成与视点相关的曲面光滑流畅.试验证明满足了实时交互性的要求,在工程虚拟仿真领域有广泛的应用前景.     

基于OPENGL的树木场景渲染分析与实现

研究了基于OPENGL的树木生成算法与树木场景渲染模式,针对自然界中的植被场景中植物的三维建模难以实现高效、快速、准确的实时渲染的难题,为改善树木形态结构建模与实时渲染的效果和速度,提出了一种面向GPU的针对叶簇的渲染架构,给出了树木建模与渲染的具体实现算法,并完成了三维替代物渲染技术,结合叶簇不同形态,采用基于几何模型的枝干渲染和基于2.5维替代物的叶簇渲染,较大地提升了视觉效果的真实性,使树木建模与实时渲染效率和准确性均得到明显提高。仿真结果表明,树木场景渲染实现模式能够较好的满足图像处理需求。     

一种超大规模地形场景的实时渲染算法

超大规模地形场景包含大量的数据,无法一次性载入内存进行实时渲染.基于Geometrical Mipmapping算法,结合动态调度技术,提出一种高效的超大规模地形场景实时渲染算法.算法对海量地形数据进行分块,在实时运行时,根据视点的位置动态地载入所需的地形块和释放无用的地形块,使得内存中的地形数据维持在一定范围内.然后,通过LOD技术和视域剔除对内存中的地形数据进行简化,大量减少送入GPU的三角形数量,从而达到实时渲染.实验结果表明,算法渲染速度快,内存开销较小,适合于超大规模地形场景的实时渲染.     

保持视觉感知的三维树木叶片模型分治简化方法

三维树木的复杂外观形态和庞大网格数据量使得要实现精细树木模型的快速绘制十分困难.由于叶片信息在三维树木模型数据中占的比重很大,为了减少三维树木模型的数据量,提出一种保持视觉感知效果的三维树木叶片模型分治简化方法.该方法综合考虑了树叶纹理颜色和几何形状的相似性来进行相似树叶的选择与合并,并根据树木的树枝拓扑结构或树叶的空间区域分布来划分树叶简化区域,采用相应的分治策略以加速树叶的合并过程,以实现保持视觉感知特征的三维树木模型的简化.实验结果表明,文中方法能有效地减少树木模型的几何数据量,提高绘制效率,可应用于近景树木的快速逼真绘制.     

视相关大规模三维地形实时绘制技术综述

大规模三维地形表面实时绘制一直是国内外的研究热点.综述了大规模三维地形表面实时绘制算法的分类,包括基于规则网格和非规则网格、基于in-core和out-of-core、基于CPU和GPU的三大类绘制算法;阐述了大规模三维地形表面实时绘制算法的发展现状和关键技术,通过out-of-core算法的数据预取策略解决大数据量模型的交互式渲染问题,采用视点相关的多分辨率技术简化整个场景的复杂度,减少绘制的数据量;指出了各种方法的优点与不足,最后对大规模三维地形表面实时绘制所需要研究的问题进行了总结.     

Multiresolution foliage for forest rendering

Plants are important objects in virtual environments. High complexity of shape structure is found in plant communities. Level of detail (LOD) of plant geometric models becomes important for interactive forest rendering. We emphasize three major problems in current research: the time consumption in LOD model construction and extraction, the balance between visual effect and data compression, and the time consumption in the communication between Central Processing Unit (CPU) and Graphics Processing Unit (GPU). We present a new foliage simplification framework for LOD model and forest rendering. By an uneven subdivision of the tree crown volume, the cost for LOD model construction is drastically reduced. With a GPU‐oriented design of LOD storage structure for foliage, the costly hierarchical traversal of a binary tree is replaced by a sequential lookup of an array. The structure also decreases the communication between the CPU and the GPU in rendering. In addition, Leaf density is introduced to adapt compression to the local distribution of leaves, so that more visually relevant details are kept. According to foliage nature (broad leaves or needles), higher compression are finally reached using mixed polygon/line models. This framework is implemented on virtual scenes of simulated trees with high detail. Copyright © 2009 John Wiley & Sons, Ltd.     

Interactive Large‐Scale Procedural Forest Construction and Visualization Based on Particle Flow Simulation

Interactive visualization of large forest scenes is challenging due to the large amount of geometric detail that needs to be generated and stored, particularly in scenarios with a moving observer such as forest walkthroughs or overflights. Here, we present a new method for large‐scale procedural forest generation and visualization at interactive rates. We propose a hybrid approach by combining geometry‐based and volumetric modelling techniques with gradually transitioning level of detail (LOD). Nearer trees are constructed using an extended particle flow algorithm, in which particle trails outline the tree ramification in an inverse direction, i.e. from the leaves towards the roots. Reduced geometric representation of a tree is obtained by subsampling the trails. For distant trees, a new volumetric rendering technique in pixel‐space is introduced, which avoids geometry formation altogether and enables visualization of vast forest areas with millions of unique trees. We demonstrate that a GPU‐based implementation of the proposed method provides interactive frame rates in forest overflight scenarios, where new trees are constructed and their LOD adjusted on the fly.     

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。     

基于概率模型的树木间接光照效果的实时模拟

太阳光照射到树冠上之后,会在叶片间进行相互的反射、折射,形成复杂的间接光照效果。在进行树木真实感绘制时,对这种间接光照的快速模拟是非常困难的。传统的光线跟踪、辐射度等算法均比较耗时,很难满足实时计算的要求。采用一种概率模型来快速估算树木叶片间的间接光照效果,实现了带间接光照效果的树木实时绘制。为树冠构建一个包围体,并假定该包围体中叶子的位置和法向基本符合均匀分布;为叶子的正反面分别定义反射系数和透射系数,并定义一个衰减函数来描述光线穿越叶子层后的衰减量;基于这种均匀概率分布的包围体模型,并利用叶片材质属性,就可以为每片叶子计算出叶子表面的出射光。对于中心在[P]处的叶子来说,可以快速计算出太阳光经过其邻近叶子到达该叶子表面的间接光照效果。为了进一步提高绘制效率,并未采用传统的包含大量面片的树木模型,而是采用了一种利用Billboards结构进行树木枝叶表达的简洁的树木三维模型。将上述概率模型与这种表达方式进行了有机结合,完成了带间接光照效果的树木实时真实感绘制。     

一种视点相关的多分辨率地形实时绘制方法

本文提出了一种基于视点的地形分块策略，并以四叉树结构来组织地形分块，提出了一种利用受限四叉树对地形网格实时剖分的改进算法，实现了与视点相关的连续多分辨率地形网格的简化和实时绘制。     

水稻叶片三维建模与叶色渲染

提出一种简单的水稻叶片三维建模与可视化方法。通过输入一张二维水稻叶片图像,提取叶片的基本轮廓,创建样条曲线并计算这些样条曲线的交点,然后将这些样条曲线相互连接构建水稻叶片分支脉络,从而建立叶片三维网格模型。利用纹理映射技术,将真实水稻叶片灰度纹理图像作为模型材质贴图,得到富含材质信息的叶片模型,结合前期建立的水稻叶色R、G、B三通道与SPAD的关系模型,实现了水稻叶色的实时渲染,得到的结果真实感强。     

基于网络图的地基激光雷达复杂树木点云枝叶分离方法

地基激光雷达树木点云数据的枝叶分离是精确计算地上生物量和叶面积指数的重要前提,也是树木三维建模的重要步骤.然而,山地复杂树木冠幅大且结构复杂,从而造成树叶与枝干之间的相互遮挡,因此很难获取高质量的点云数据,目前对其实现枝叶分离依然存在较大的困难.利用地基激光雷达FARO Focus3D X330获取三维激光点云数据,提...