[发明专利]一种树叶渐进简化方法

说明书

技术领域

本发明属于计算机图形学与数字农林学相结合的交叉学科的技术领域，涉及植物场景的绘制，尤其涉及一种树叶渐进简化方法。

背景技术

在城市可视化，电脑游戏等应用中，往往涉及到许多室外场景，如果忽略随处可见的植物的绘制，渲染结果会显得非常不真实，这是计算机图形学家和用户都无法容忍的。而在植物建模以及植物生长模拟方面，人们早已展开深入的研究。到目前为止，已有许多成熟的系统，并有相应软件，例如法国的AMAP，加拿大的L-系统，德国的Xfrog等。这些软件都能生成非常逼真的植物模型(见图2)。但是植物，特别是树木，通常由很多细枝还有数不清的叶子组成，并且枝和叶的拓扑结构都非常复杂。因此这类物体通常需要数量庞大的多边形来进行描述。而绘制时间和物体的多边形数量是正比关系，所以在目前的硬件条件下，实现这类场景的实时绘制还是计算机图形学中的一个难题。为了实现植物场景，特别是森林的实时绘制，人们陆续提出了各种算法。主要有基于图像的绘制算法，点绘制算法和层次细节算法(LOD)。

基于图像的绘制算法通常在预处理中确定一系列采样视点，在每一个视点方向，对植物体进行绘制，并把绘制结果作为纹理图保存下来。而在实时绘制时，根据当前视点信息，找到与其最邻近的采样视点，然后对这些采样视点相对应的纹理图像进行插值，插值得到的图像即作为当前视点的渲染结果图像。在所有算法中，这种算法绘制速度最快，且绘制时间与植物场景的几何复杂度无关。但是这种方法需要很大的内存来存储各采样视点的纹理图像，并且因为缺少植物的几何信息，绘制近距离植物时真实感往往较差。图3为基于图像的算法用于绘制森林时的结果图。

点绘制算法是在对距离较远的植物进行绘制时采取的一种策略：当植物距离视点足够远时，它采用线表示枝条，而用点表示叶子，从而提高了绘制速度。对于近距离的植物，为保证渲染质量，则采用它的原始模型，即多边形表示。因此点绘制算法只对距离较远的植物的绘制有效，并且通常在对简单矮小的植物，如草本植物，花卉等进行绘制，效果比较好，见图4点绘制算法用于植物的结果图。

多边形，特别是三角形模型一直是计算机图形学的主流模型，因此人们在面片简化方面研究很深入，提出了很多成熟的层次细节算法，如vertex decimation，edge collapse，vertex clustering等。但由于树木特殊的属性，这些算法通常可以用于树干的简化，对于树叶部分，则会产生错误的结果。2002年，Remolar等人首次提出了针对树叶的简化算法-FSA算法。该算法能不断减少用于表示树叶的多边形的数目，并同时保持树冠外形。它假设树叶由四边形表示，然后不断地进行leaf collapse操作，即用一个新的四边形代替原来的两个四边形，见图5 FSA算法中的leaf collapse示意图，新产生的四边形的面积大小和合并前的两个四边形的面积大小近似。采用该算法对树模型进行简化的结果，见图6 FSA算法结果图。但FSA算法存在很多缺陷：(1)不能保证leaf collapse中生成的四边形的面积的正确性，会出现新生成的四边形的面积比原四边形面积小的情况，这是不合理的。(2)只采用了两项相似度指标，由它们选取的四边形对经常相距很远，并不适合做leaf collapse操作，因为它们会产生细长的四边形。(3)FSA不是视点相关的算法，它不能明确得出当前视点下处于不同位置的树木的细节层次。(4)FSA只能处理具有四边形状的叶子，而常见的树叶的形状一般都比四边形复杂，因此FSA应用范围很局限。

除了上面三种主要的方法，人们还试图用别的方法实现实时的目的。例如最近有人在植物绘制中引入了几何压缩的方法。其中Pierre-MarieGandoin等人提出了一种无损压缩算法，主要通过两种常见的面片简化操作：edge collapse和vertex split来改变点线面的拓扑连接关系，然后对种拓扑连接关系的变化进行编码。这种方法是渐进的，并能用于non-manifold的物体。该方法用于压缩树木时的结果，见图7Pierre-Marie Gandoin等人的压缩方法的结果图。但由于该压缩方法不考虑植物特殊的拓扑结构，因此会产生视觉效果合理但违背植物学原理的结果。

发明内容