面向虚拟地理环境的树木三维建模与可视化技术研究

Modeling and visualization of 3D trees for virtual geographic environment remain as a challenging problem so far. In this proposal, we propose a new paradigm, which consists of geometry-image combined multi-scale representation of trees, iteratively modeling according to multiple sources, and environment-adapted reuse of tree models. If this paradigm implemented, a batch of similar but identical 3D tree models would be built from public images and LiDAR scanned points effectively. These tree models would contain hierarchies of 3D geometric trunks and branches and canopies populated by image-textured leaves, which not only are convenient for manipulation and efficient for rendering, but are of realistic appearance.

树木是虚拟场景不可或缺的组成元素，它日益受到空间数据生产者和使用者的关注和重视。由于植物生长与环境相关、形态结构复杂、细节丰富，大规模树木的三维建模与可视化至今仍是一个国际性难题。本项目提出几何-图像混合的多分辨率表示、多源迭代建模、环境自适应建模的新思路，研究面向虚拟地理环境的树木表示、三维建模与可视化方法。针对实地树木无法逐一完整量测建模而虚拟场景又需要大批与之相似、与环境相配的树木模型的问题，重点研究基于多源影像和扫描点云的树木重建、环境自适应的模型批量生成方法。顾及虚拟地理环境在逼真性和效率上的双重要求，研究具有三维结构、几何表达与图像表达动态转化的树木多分辨率表示模型、针对树木多级分支结构的模型动态简化方法、基于实例化思想的大规模树木模型优化组织与管理方法。

树木是虚拟场景不可或缺的组成元素，它日益受到空间数据生产者和使用者的关注和重视。由于植物生长与环境相关、形态结构复杂、细节丰富，大规模树木的三维建模与可视化至今仍是一个国际性难题。本项目提出了几何-图像混合的多分辨率表示、迭代建模、环境自适应建模的新思路，研究了面向虚拟地理环境的树木表示、三维建模与可视化方法。顾及虚拟地理环境在逼真性和效率上的双重要求，研究了具有三维结构、几何-图像混合式树木多分辨率表示模型、针对树木多级分支结构的模型动态简化方法、基于实例化思想的大规模树木模型优化组织与管理方法。针对实地树木无法逐一完整量测建模而虚拟场景又需要大批与之相似、与环境相配的树木模型的问题，重点研究了基于影像和扫描点云相结合的树木三维重建、环境自适应的模型批量生成方法。.首先，顾及树木自身结构特征以及几何与图像在形态和细节表达上各自的优势，提出了一种精细度适当的三维树木表示模型：几何与图像动态混合的多分辨率表示模型，即以几何表达树木的枝干系统、以纹理图像表达树叶与表皮的外观细节。这种结合式表示可在模型粒度、真实感、效率之间取得良好平衡。进一步地，将几何-图像混合表示组织为多分辨率形式。原始混合模型随着分辨率的降低，从末梢小枝开始、依序逐级将整个枝系（子树）替换为“简单面片+枝系纹理”的表示，这是一个“几何-->图像”的动态转化过程。.针对树木模型要与真实树木在整体结构和外观相似但又需批量生成的要求，提出了基于实测数据、正向建模与逆向建模相结合的树木迭代建模方法。具体研发了从树木的扫描点云中提取骨架及枝干半径等信息的逆向建模算法，设计实现了一种新的基于构成规则演化的建模方法，利用统计学习方法从提取的骨架中获得树木枝干的构成规则，以之生成树木模型；将生成模型与扫描点云进行比对分析，迭代修正骨架及半径，最终获得优化的构成规则以批量建模。.针对真实环境中成片树木相似但又各不相同的特点，研究实现了构成规则与随机扰动相结合、顾及环境条件的相似树木批量建模方法。.根据功能的相关性和实现的方便性，研发了一个树木正向建模的原型系统，其中具体实现了几何-图像动态混合表示模型及多分辨率转化机制、环境自适应的相似模型批量生成方法。.项目提出的正逆向迭代的树木建模方法具有一定的创新性和科学意义，建模原型系统可应用于虚拟地理环境、军事与农业仿真、增强现实与混合现实等领域，具有相当的实用价值。