CN104392484B - 一种三维树木建模方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明适用于计算机图形学领域，提供了一种三维树木建模方法及装置，包括：对已有的三维树木模型进行部分截取，获取到多个模型组件；对获取到的所述多个模型组件进行参数设置，以使所述多个模型组件之间相互匹配；对相互匹配好的所述多个模型组件进行插值处理，生成相邻所述模型组件之间的连接组件。本发明主要通过从已有的树木模型中截取若干模型组件进行调整、组合，并通过插值算法生成不同模型组件之间的连接部分，从而生成新的三维树木模型，该建模过程不涉及三维数据的采集，大大简化了建模过程中的数据处理环节，提高了三维树木建模的效率。
Description
技术领域
本发明属于计算机图形学领域，尤其涉及一种三维树木建模方法及装置。
背景技术
在城市三维建模、计算机游戏场景设计、虚拟现实等技术领域，树木建模有着广阔的应用前景。现有的三维树木建模大多基于三维数据获取来实现，需要首先获取树木的三维数据信息，比如，使用三维激光扫描仪采集树木的三维点云，或者使用相机采集树木多个视角的图像，等等，然后再使用三维重建方法建立三维树木模型。然而，上述三维数据采集方法大多需要使用到专业的三维数据采集设备，且数据处理过程繁杂、费时，使得三维树木建模过程效率低下。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种三维树木建模方法，旨在解决目前三维树木建模效率低的问题。
本发明实施例是这样实现的，一种三维树木建模方法，包括：
对已有的三维树木模型进行部分截取，获取到多个模型组件；
对获取到的所述多个模型组件进行参数设置，以使所述多个模型组件之间相互匹配；
对相互匹配好的所述多个模型组件进行插值处理，生成相邻所述模型组件之间的连接组件。
本发明实施例的另一目的在于提供一种三维树木建模装置，包括：
截取单元，用于对已有的三维树木模型进行部分截取，获取到多个模型组件；
设置单元，用于对获取到的所述多个模型组件进行参数设置，以使所述多个模型组件之间相互匹配；
插值单元，用于对相互匹配好的所述多个模型组件进行插值处理，生成相邻所述模型组件之间的连接组件。
本发明实施例主要通过从已有的树木模型中截取若干模型组件进行调整、组合，并通过插值算法生成不同模型组件之间的连接部分，从而生成新的三维树木模型，该建模过程不涉及三维数据的采集，大大简化了建模过程中的数据处理环节，提高了三维树木建模的效率。
附图说明
图1是本发明实施例提供的三维树木建模方法的实现流程图；
图2是本发明实施例提供的手持式激光扫描仪的示例图；
图3是本发明实施例提供的已有的三维树木模型的示例图；
图4是本发明实施例提供的三维树木模型与其对应的三维骨架示例图；
图5是本发明实施例提供的在已有的三维树木模型上进行部分截取的示例图；
图6是本发明实施例提供的模型组件的示例图；
图7是本发明实施例提供的三维树木建模方法S103的具体实现流程图；
图8是本发明实施例提供的hermit曲线示例图；
图9是本发明实施例提供的两个横截面的***顶点的对应关系示例图；
图10是本发明实施例提供的在两个横截面的对应点之间进行插值的插值结果二维示例图；
图11是本发明实施例提供的不同hermit曲线对应的插值结果的三维实例图；
图12是本发明实施例提供的对生成的树木模型匹配真实几何表面的示例图；
图13是本发明实施例提供的为树木模型添加枝干和叶片的效果示例图；
图14是本发明实施例提供的三维树木建模实例图；
图15是本发明实施例提供的三维树木建模装置的结构框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例主要通过从已有的树木模型中截取若干模型组件进行调整、组合，并通过插值算法生成不同模型组件之间的连接部分，从而生成新的三维树木模型，该建模过程不涉及三维数据的采集，大大简化了建模过程中的数据处理环节，提高了三维树木建模的效率。
图1示出了本发明实施例提供的三维树木建模方法的实现流程，详述如下：
在S101中，对已有的三维树木模型进行部分截取，获取到多个模型组件。
在S101之前，可以预先建立三维树木模型数据库，例如，采用如图2所示的手持式激光扫描仪来采集现实中不同种类、不同形态树木的三维点云，并对采集到的三维点云采用泊松重建的方法来得到这些树木的三维树木模型(图3示出了部分预先建立好的三维树木模型)。在得到这些树木的三维树木模型的同时，还可以使用树木模型骨架生成方法，生成这些树木的三维骨架，该三维骨架用于表述树木的枝干走向，如图4所示，左图为建立好的三维树木模型，而右图为该三维树木模型对应的三维骨架。
上述三维树木模型数据库的建立过程可以由专业的三维建模领域技术人员来完成，该数据库用作建模素材库被开放给用户。
图5为在已有的三维树木模型上进行部分截取的示意图。
图6示出了通过对已有的三维树木模型进行部分截取所获取到的若干模型组件。
在S102中，对获取到的所述多个模型组件进行参数设置，以使所述多个模型组件之间相互匹配。
在本实施例中，多个模型组件之间相互匹配，是指这多个模型组件各自的尺寸、方向以及这多个模型组件之间的链接关系等参数均被配置在合适的取值上，以使这多个模型组件能够被合理地、有序地放置于一棵树木之中。
其中，多个模型组件之间的链接关系，用于表示这多个模型组件在将要创建的三维树木模型中放置位置的顺序关系，例如，从树顶到树根，依序放置模型组件1、模型组件2、模型组件3和模型组件4。通过该链接关系，可以确定与一个模型组件相邻的模型组件。作为一种实现方式，链接关系可以通过用户指定生成。
优选地，可以建立用于人机交互的图形***，通过可视化操作实现对这多个模型组件的参数设置。具体地，由计算机后台利用opengl投影算法，将模型组件和三维坐标投影到屏幕坐标，从而将三维坐标和屏幕的二维坐标对应起来，以结合键盘、鼠标或者手势操作(例如移动、旋转、缩放等操作)实现对模型组件的参数设置。在该交互图形***之下，可以通过拖拽方式将模型组件依序放置，***后台依照模型组件的放置位置，自动地在相邻的两个模型组件之间建立链接关系。
在S103中，对相互匹配好的所述多个模型组件进行插值处理，生成相邻所述模型组件之间的连接组件。
由于S101中获取到的模型组件是离散的，因此，需要对这部分离散的模型组件进行插值处理，连接和补全相邻模型组件之间的剩余部分。
如图7所示，S103具体为：
在S701中，在相邻所述模型组件之间通过插值生成hermit曲线。
具体地，可以对相邻模型组件所对应的树木骨架进行插值，生成对应的hermit曲线。生成的hermit曲线用于表示两个相邻模型组件之间的枝干走向，而在hermit曲线生成之后，可以通过调整hermit曲线的曲率来改变上述枝干走向，以使得最终生成的枝干的走向与建模需要相符。
图8是S701生成的hermit曲线的示例图，如图8所示，左右两幅图中的直线用于表示图中所示的模型组件的链接关系，而曲线即为hermit曲线，可以看出，左右两幅图中所生成的hermit曲线的曲率不同。
在S702中，建立第一横截面与第二横截面的***顶点的两两对应关系，所述第一横截面与所述第二横截面为相邻所述模型组件的相邻横截面。
在创建了hermit曲线之后，需要渲染生成两个相邻模型组件之间的枝干部分。首先，在S702中，建立相邻横截面***顶点的对应关系，具体地，可以分别从两个相邻横截面上的某个点同时出发，按照顺时针或者逆时针的方向，依次确定两个横截面之间的对应点。
图9为S702中获取到的第一横截面与第二横截面之间的对应点的二维示意图，依照模型的骨架方向，第一横截面91位于第二横截面92的上方，图中的虚线表明了第一横截面91与第二横截面92的部分***顶点之间的对应关系。
其中，较佳的对应关系为：所有两两对应的***顶点之间的位移的平方和最小，这样可以保证后续处理过程中在对应点之间进行插值的横截面的形变最小，且可以保持枝干的扭曲形状。
在S703中，在所述第一横截面与所述第二横截面的对应点之间进行插值。
图10为根据图9的对应关系在对应点之间进行插值的插值结果二维示例图，可以看出，在第一横截面与第二横截面之间插值生成了三个横截面的***顶点。
在S704中，将插值结果沿着对应的hermit曲线移动和旋转，生成所述第一横截面和所述第二横截面之间的连接组件。
在本步骤中，保持插值生成的***顶点以及对应的hermit曲线的曲率不变，而将插值生成的***顶点沿着其对应的hermit曲线段移动和旋转，从而生成了第一横截面与第二横截面之间的连接组件，即第一横截面与第二横截面之间的枝干部分。
图11示出了根据图7所示实施例生成的两种不同hermit曲线所对应的插值结果。
在本发明实施例中，仅仅依靠S103的插值处理所生成的树木模型的连接组件过于光滑，缺少真实树木中应有的凹凸、褶皱等细节，因此，需要将已有的三维树木模型的真实几何表面进行变形处理，去匹配S103中生成的连接部分。具体地，将连接组件和已有的三维树木模型都表示成通用的圆柱体，记录两者之间的半径和相对位差，将已有的三维树木模型的大小缩放到连接组件的大小，并移动到连接组件的所在位置，保持已有的三维树木模型的位差，这样就能得到具有真实表面几何细节的三维树木模型。
如图12所示，从左至右分别为S103得到的连接组件、已有的三维树木模型的部分枝干、变形匹配后得到的连接组件。
如图13所示，左图为通过上述步骤得到的三维树木模型，最后，可以采用自动线性***的方式往该三维树木模型上渲染小枝干和树叶，已增加树木的真实感，最终得到如图13右图所示的仿真度高的三维树木模型。
图14从左至右依次是S101和S102之后匹配的模型组件、插值后生成的三维树木模型、以及添加了细枝和叶片之后的渲染效果。
本发明实施例主要通过从已有的树木模型中截取若干模型组件进行调整、组合，并通过插值算法生成不同模型组件之间的连接部分，从而生成新的三维树木模型，该建模过程不涉及三维数据的采集，大大简化了建模过程中的数据处理环节，提高了三维树木建模的效率。
图15示出了本发明实施例提供的三维树木建模装置的结构框图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分。
参照图15，该装置包括：
截取单元1501，对已有的三维树木模型进行部分截取，获取到多个模型组件。
设置单元1502，对获取到的所述多个模型组件进行参数设置，以使所述多个模型组件之间相互匹配。
插值单元1503，对相互匹配好的所述多个模型组件进行插值处理，生成相邻所述模型组件之间的连接组件。
可选地，所述设置单元1502具体用于：
设置所述模型组件的尺寸、方向以及所述多个模型组件之间的链接关系。
可选地，所述插值单元包括：
曲线生成子单元，在相邻所述模型组件之间通过插值生成hermit曲线。
对应关系建立子单元，建立第一横截面与第二横截面的***顶点的两两对应关系，所述第一横截面与所述第二横截面为相邻所述模型组件的相邻横截面。
插值子单元，在所述第一横截面与所述第二横截面的对应点之间进行插值。
连接组件生成子单元，用于将插值结果沿着对应的hermit曲线移动和旋转，生成所述第一横截面和所述第二横截面之间的连接组件。
可选地，所述对应关系满足：所有两两对应的***顶点之间的位移的平方和最小。
可选地，所述装置还包括：
几何表面处理单元，将已有的三维树木模型的几何表面进行变形处理，并匹配至所述连接组件。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种三维树木建模方法，其特征在于，包括：
对已有的三维树木模型进行部分截取，获取到多个模型组件；
对获取到的所述多个模型组件进行参数设置，以使所述多个模型组件之间相互匹配；
对相互匹配好的所述多个模型组件进行插值处理，生成相邻所述模型组件之间的连接组件，包括：
在相邻所述模型组件之间通过插值生成hermit曲线；
建立第一横截面与第二横截面的***顶点的两两对应关系，所述第一横截面与所述第二横截面为相邻所述模型组件的相邻横截面；
在所述第一横截面与所述第二横截面的对应点之间进行插值；
将插值结果沿着对应的hermit曲线移动和旋转，生成所述第一横截面和所述第二横截面之间的连接组件。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对获取到的所述多个模型组件进行参数设置包括：
设置所述模型组件的尺寸、方向以及所述多个模型组件之间的链接关系。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对应关系满足：所有两两对应的***顶点之间的位移的平方和最小。
4.如权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
将已有的三维树木模型的几何表面进行变形处理，并匹配至所述连接组件。
5.一种三维树木建模装置，其特征在于，包括：
截取单元，用于对已有的三维树木模型进行部分截取，获取到多个模型组件；
设置单元，用于对获取到的所述多个模型组件进行参数设置，以使所述多个模型组件之间相互匹配；
插值单元，用于对相互匹配好的所述多个模型组件进行插值处理，生成相邻所述模型组件之间的连接组件；
所述插值单元包括：
曲线生成子单元，用于在相邻所述模型组件之间通过插值生成hermit曲线；
对应关系建立子单元，用于建立第一横截面与第二横截面的***顶点的两两对应关系，所述第一横截面与所述第二横截面为相邻所述模型组件的相邻横截面；
插值子单元，用于在所述第一横截面与所述第二横截面的对应点之间进行插值；
连接组件生成子单元，用于将插值结果沿着对应的hermit曲线移动和旋转，生成所述第一横截面和所述第二横截面之间的连接组件。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述设置单元具体用于：
设置所述模型组件的尺寸、方向以及所述多个模型组件之间的链接关系。
7.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述对应关系满足：所有两两对应的***顶点之间的位移的平方和最小。
8.如权利要求5-7任一项所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：
几何表面处理单元，用于将已有的三维树木模型的几何表面进行变形处理，并匹配至所述连接组件。
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