一種三維樹木建模方法及裝置製造方法
2023-07-27 09:05:21 1
一種三維樹木建模方法及裝置製造方法
【專利摘要】本發明適用於計算機圖形學領域，提供了一種三維樹木建模方法及裝置，包括：對已有的三維樹木模型進行部分截取，獲取到多個模型組件；對獲取到的所述多個模型組件進行參數設置，以使所述多個模型組件之間相互匹配；對相互匹配好的所述多個模型組件進行插值處理，生成相鄰所述模型組件之間的連接組件。本發明主要通過從已有的樹木模型中截取若干模型組件進行調整、組合，並通過插值算法生成不同模型組件之間的連接部分，從而生成新的三維樹木模型，該建模過程不涉及三維數據的採集，大大簡化了建模過程中的數據處理環節，提高了三維樹木建模的效率。
【專利說明】一種三維樹木建模方法及裝置
【技術領域】
[0001]本發明屬於計算機圖形學領域，尤其涉及一種三維樹木建模方法及裝置。
【背景技術】
[0002]在城市三維建模、計算機遊戲場景設計、虛擬實境等【技術領域】，樹木建模有著廣闊的應用前景。現有的三維樹木建模大多基於三維數據獲取來實現，需要首先獲取樹木的三維數據信息，比如，使用三維雷射掃描儀採集樹木的三維點雲，或者使用相機採集樹木多個視角的圖像，等等，然後再使用三維重建方法建立三維樹木模型。然而，上述三維數據採集方法大多需要使用到專業的三維數據採集設備，且數據處理過程繁雜、費時，使得三維樹木建模過程效率低下。
【發明內容】
[0003]本發明實施例的目的在於提供一種三維樹木建模方法，旨在解決目前三維樹木建模效率低的問題。
[0004]本發明實施例是這樣實現的，一種三維樹木建模方法，包括:
[0005]對已有的三維樹木模型進行部分截取，獲取到多個模型組件；
[0006]對獲取到的所述多個模型組件進行參數設置，以使所述多個模型組件之間相互匹配；
[0007]對相互匹配好的所述多個模型組件進行插值處理，生成相鄰所述模型組件之間的連接組件。
[0008]本發明實施例的另一目的在於提供一種三維樹木建模裝置，包括:
[0009]截取單元，用於對已有的三維樹木模型進行部分截取，獲取到多個模型組件；
[0010]設置單元，用於對獲取到的所述多個模型組件進行參數設置，以使所述多個模型組件之間相互匹配；
[0011]插值單元，用於對相互匹配好的所述多個模型組件進行插值處理，生成相鄰所述模型組件之間的連接組件。
[0012]本發明實施例主要通過從已有的樹木模型中截取若干模型組件進行調整、組合，並通過插值算法生成不同模型組件之間的連接部分，從而生成新的三維樹木模型，該建模過程不涉及三維數據的採集，大大簡化了建模過程中的數據處理環節，提高了三維樹木建模的效率。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013]圖1是本發明實施例提供的三維樹木建模方法的實現流程圖；
[0014]圖2是本發明實施例提供的手持式雷射掃描儀的示例圖；
[0015]圖3是本發明實施例提供的已有的三維樹木模型的示例圖；
[0016]圖4是本發明實施例提供的三維樹木模型與其對應的三維骨架示例圖；
[0017]圖5是本發明實施例提供的在已有的三維樹木模型上進行部分截取的示例圖；
[0018]圖6是本發明實施例提供的模型組件的示例圖；
[0019]圖7是本發明實施例提供的三維樹木建模方法S103的具體實現流程圖；
[0020]圖8是本發明實施例提供的hermit曲線示例圖；
[0021]圖9是本發明實施例提供的兩個橫截面的外圍頂點的對應關係示例圖；
[0022]圖10是本發明實施例提供的在兩個橫截面的對應點之間進行插值的插值結果二維示例圖；
[0023]圖11是本發明實施例提供的不同hermit曲線對應的插值結果的三維實例圖；
[0024]圖12是本發明實施例提供的對生成的樹木模型匹配真實幾何表面的示例圖；
[0025]圖13是本發明實施例提供的為樹木模型添加枝幹和葉片的效果示例圖；
[0026]圖14是本發明實施例提供的三維樹木建模實例圖；
[0027]圖15是本發明實施例提供的三維樹木建模裝置的結構框圖。
【具體實施方式】
[0028]為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。
[0029]本發明實施例主要通過從已有的樹木模型中截取若干模型組件進行調整、組合，並通過插值算法生成不同模型組件之間的連接部分，從而生成新的三維樹木模型，該建模過程不涉及三維數據的採集，大大簡化了建模過程中的數據處理環節，提高了三維樹木建模的效率。
[0030]圖1示出了本發明實施例提供的三維樹木建模方法的實現流程，詳述如下:
[0031]在SlOl中，對已有的三維樹木模型進行部分截取，獲取到多個模型組件。
[0032]在SlOl之前，可以預先建立三維樹木模型資料庫，例如，採用如圖2所示的手持式雷射掃描儀來採集現實中不同種類、不同形態樹木的三維點雲，並對採集到的三維點雲採用泊松重建的方法來得到這些樹木的三維樹木模型(圖3示出了部分預先建立好的三維樹木模型)。在得到這些樹木的三維樹木模型的同時，還可以使用樹木模型骨架生成方法，生成這些樹木的三維骨架，該三維骨架用於表述樹木的枝幹走向，如圖4所示，左圖為建立好的三維樹木模型，而右圖為該三維樹木模型對應的三維骨架。
[0033]上述三維樹木模型資料庫的建立過程可以由專業的三維建模領域技術人員來完成，該資料庫用作建模素材庫被開放給用戶。
[0034]圖5為在已有的三維樹木模型上進行部分截取的示意圖。
[0035]圖6示出了通過對已有的三維樹木模型進行部分截取所獲取到的若干模型組件。
[0036]在S102中，對獲取到的所述多個模型組件進行參數設置，以使所述多個模型組件之間相互匹配。
[0037]在本實施例中，多個模型組件之間相互匹配，是指這多個模型組件各自的尺寸、方向以及這多個模型組件之間的連結關係等參數均被配置在合適的取值上，以使這多個模型組件能夠被合理地、有序地放置於一棵樹木之中。
[0038]其中，多個模型組件之間的連結關係，用於表示這多個模型組件在將要創建的三維樹木模型中放置位置的順序關係，例如，從樹頂到樹根，依序放置模型組件1、模型組件2、模型組件3和模型組件4。通過該連結關係，可以確定與一個模型組件相鄰的模型組件。作為一種實現方式，連結關係可以通過用戶指定生成。
[0039]優選地，可以建立用於人機互動的圖形系統，通過可視化操作實現對這多個模型組件的參數設置。具體地，由計算機後臺利用0？61181投影算法，將模型組件和三維坐標投影到屏幕坐標，從而將三維坐標和屏幕的二維坐標對應起來，以結合鍵盤、滑鼠或者手勢操作(例如移動、旋轉、縮放等操作)實現對模型組件的參數設置。在該交互圖形系統之下，可以通過拖拽方式將模型組件依序放置，系統後臺依照模型組件的放置位置，自動地在相鄰的兩個模型組件之間建立連結關係。
[0040]在3103中，對相互匹配好的所述多個模型組件進行插值處理，生成相鄰所述模型組件之間的連接組件。
[0041]由於3101中獲取到的模型組件是離散的，因此，需要對這部分離散的模型組件進行插值處理，連接和補全相鄰模型組件之間的剩餘部分。
[0042]如圖7所示，3103具體為:
[0043]在3701中，在相鄰所述模型組件之間通過插值生成116:01111:曲線。
[0044]具體地，可以對相鄰模型組件所對應的樹木骨架進行插值，生成對應的「謂「曲線。生成的曲線用於表示兩個相鄰模型組件之間的枝幹走向，而在曲線生成之後，可以通過調整1161*111「曲線的曲率來改變上述枝幹走向，以使得最終生成的枝幹的走向與建模需要相符。
[0045]圖8是3701生成的丨曲線的示例圖，如圖8所示，左右兩幅圖中的直線用於表示圖中所示的模型組件的連結關係，而曲線即為曲線，可以看出，左右兩幅圖中所生成的曲線的曲率不同。
[0046]在3702中，建立第一橫截面與第二橫截面的外圍頂點的兩兩對應關係，所述第一橫截面與所述第二橫截面為相鄰所述模型組件的相鄰橫截面。
[0047]在創建了曲線之後，需要渲染生成兩個相鄰模型組件之間的枝幹部分。首先，在3702中，建立相鄰橫截面外圍頂點的對應關係，具體地，可以分別從兩個相鄰橫截面上的某個點同時出發，按照順時針或者逆時針的方向，依次確定兩個橫截面之間的對應點。
[0048]圖9為3702中獲取到的第一橫截面與第二橫截面之間的對應點的二維示意圖，依照模型的骨架方向，第一橫截面91位於第二橫截面92的上方，圖中的虛線表明了第一橫截面91與第二橫截面92的部分外圍頂點之間的對應關係。
[0049]其中，較佳的對應關係為:所有兩兩對應的外圍頂點之間的位移的平方和最小，這樣可以保證後續處理過程中在對應點之間進行插值的橫截面的形變最小，且可以保持枝幹的扭曲形狀。
[0050]在3703中，在所述第一橫截面與所述第二橫截面的對應點之間進行插值。
[0051]圖10為根據圖9的對應關係在對應點之間進行插值的插值結果二維示例圖，可以看出，在第一橫截面與第二橫截面之間插值生成了三個橫截面的外圍頂點。
[0052]在3704中，將插值結果沿著對應的116:01111:曲線移動和旋轉,生成所述第一橫截面和所述第二橫截面之間的連接組件。
[0053]在本步驟中，保持插值生成的外圍頂點以及對應的曲線的曲率不變，而將插值生成的外圍頂點沿著其對應的hermit曲線段移動和旋轉，從而生成了第一橫截面與第二橫截面之間的連接組件，即第一橫截面與第二橫截面之間的枝幹部分。
[0054]圖11示出了根據圖7所示實施例生成的兩種不同hermit曲線所對應的插值結果O
[0055]在本發明實施例中，僅僅依靠S103的插值處理所生成的樹木模型的連接組件過於光滑，缺少真實樹木中應有的凹凸、褶皺等細節，因此，需要將已有的三維樹木模型的真實幾何表面進行變形處理，去匹配S103中生成的連接部分。具體地，將連接組件和已有的三維樹木模型都表示成通用的圓柱體，記錄兩者之間的半徑和相對位差，將已有的三維樹木模型的大小縮放到連接組件的大小，並移動到連接組件的所在位置，保持已有的三維樹木模型的位差，這樣就能得到具有真實表面幾何細節的三維樹木模型。
[0056]如圖12所示，從左至右分別為S103得到的連接組件、已有的三維樹木模型的部分枝幹、變形匹配後得到的連接組件。
[0057]如圖13所示，左圖為通過上述步驟得到的三維樹木模型，最後，可以採用自動線性系統的方式往該三維樹木模型上渲染小枝幹和樹葉，已增加樹木的真實感,最終得到如圖13右圖所示的仿真度高的三維樹木模型。
[0058]圖14從左至右依次是SlOl和S102之後匹配的模型組件、插值後生成的三維樹木模型、以及添加了細枝和葉片之後的渲染效果。
[0059]本發明實施例主要通過從已有的樹木模型中截取若干模型組件進行調整、組合，並通過插值算法生成不同模型組件之間的連接部分，從而生成新的三維樹木模型，該建模過程不涉及三維數據的採集，大大簡化了建模過程中的數據處理環節，提高了三維樹木建模的效率。
[0060]圖15示出了本發明實施例提供的三維樹木建模裝置的結構框圖，為了便於說明，僅不出了與本實施例相關的部分。
[0061]參照圖15，該裝置包括:
[0062]截取單元1501，對已有的三維樹木模型進行部分截取，獲取到多個模型組件。
[0063]設置單元1502，對獲取到的所述多個模型組件進行參數設置，以使所述多個模型組件之間相互匹配。
[0064]插值單元1503，對相互匹配好的所述多個模型組件進行插值處理，生成相鄰所述模型組件之間的連接組件。
[0065]可選地，所述設置單元1502具體用於:
[0066]設置所述模型組件的尺寸、方向以及所述多個模型組件之間的連結關係。
[0067]可選地，所述插值單元包括:
[0068]曲線生成子單元,在相鄰所述模型組件之間通過插值生成hermit曲線。
[0069]對應關係建立子單元，建立第一橫截面與第二橫截面的外圍頂點的兩兩對應關係，所述第一橫截面與所述第二橫截面為相鄰所述模型組件的相鄰橫截面。
[0070]插值子單元，在所述第一橫截面與所述第二橫截面的對應點之間進行插值。
[0071]連接組件生成子單元，用於將插值結果沿著對應的hermit曲線移動和旋轉，生成所述第一橫截面和所述第二橫截面之間的連接組件。
[0072]可選地，所述對應關係滿足:所有兩兩對應的外圍頂點之間的位移的平方和最小。
[0073]可選地，所述裝置還包括:
[0074]幾何表面處理單元，將已有的三維樹木模型的幾何表面進行變形處理，並匹配至所述連接組件。
[0075]以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種三維樹木建模方法，其特徵在於，包括: 對已有的三維樹木模型進行部分截取，獲取到多個模型組件； 對獲取到的所述多個模型組件進行參數設置，以使所述多個模型組件之間相互匹配；對相互匹配好的所述多個模型組件進行插值處理，生成相鄰所述模型組件之間的連接組件。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述對獲取到的所述多個模型組件進行參數設置包括: 設置所述模型組件的尺寸、方向以及所述多個模型組件之間的連結關係。
3.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述對相互匹配好的所述多個模型組件進行插值處理，生成相鄰所述模型組件之間的連接組件包括: 在相鄰所述模型組件之間通過插值生成hermit曲線； 建立第一橫截面與第二橫截面的外圍頂點的兩兩對應關係，所述第一橫截面與所述第二橫截面為相鄰所述模型組件的相鄰橫截面； 在所述第一橫截面與所述第二橫截面的對應點之間進行插值； 將插值結果沿著對應的hermit曲線移動和旋轉，生成所述第一橫截面和所述第二橫截面之間的連接組件。
4.如權利要求3所述的方法，其特徵在於，所述對應關係滿足:所有兩兩對應的外圍頂點之間的位移的平方和最小。
5.如權利要求1-4任一項所述的方法，其特徵在於，所述方法還包括: 將已有的三維樹木模型的幾何表面進行變形處理，並匹配至所述連接組件。
6.—種三維樹木建模裝置,其特徵在於,包括: 截取單元，用於對已有的三維樹木模型進行部分截取，獲取到多個模型組件； 設置單元，用於對獲取到的所述多個模型組件進行參數設置，以使所述多個模型組件之間相互匹配； 插值單元，用於對相互匹配好的所述多個模型組件進行插值處理，生成相鄰所述模型組件之間的連接組件。
7.如權利要求6所述的裝置，其特徵在於，所述設置單元具體用於: 設置所述模型組件的尺寸、方向以及所述多個模型組件之間的連結關係。
8.如權利要求6所述的裝置，其特徵在於，所述插值單元包括: 曲線生成子單元，用於在相鄰所述模型組件之間通過插值生成hermit曲線； 對應關係建立子單元，用於建立第一橫截面與第二橫截面的外圍頂點的兩兩對應關係，所述第一橫截面與所述第二橫截面為相鄰所述模型組件的相鄰橫截面； 插值子單元，用於在所述第一橫截面與所述第二橫截面的對應點之間進行插值；連接組件生成子單元，用於將插值結果沿著對應的hermit曲線移動和旋轉，生成所述第一橫截面和所述第二橫截面之間的連接組件。
9.如權利要求8所述的裝置，其特徵在於，所述對應關係滿足:所有兩兩對應的外圍頂點之間的位移的平方和最小。
10.如權利要求6-9任一項所述的裝置，其特徵在於，所述裝置還包括: 幾何表面處理單元，用於將已有的三維樹木模型的幾何表面進行變形處理，並匹配至 所述連接組件。
【文檔編號】G06T17/00GK104392484SQ201410640335
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年11月13日 優先權日:2014年11月13日
【發明者】謝科, 燕飛龍, 黃惠, 安德雷·沙夫, 奧利夫·馬丁·多伊森, 陳寶權 申請人:中國科學院深圳先進技術研究院