[发明专利]从单张树木图像快速构建真实感树木模型的方法

说明书

技术领域

本发明专利涉及计算机图形学领域，特别是涉及一种从单张树木图像快速构建真实感树木模型的方法。

背景技术

树木能有效增强虚拟场景的真实感维度。然而，由于自然界的树木种类繁多、形态万千、结构复杂，构建真实感的三维树木模型具有很大困难。目前，针对树木的建模方法主要包括四类。

第一类是基于交互的建模方法。用户使用通用的三维建模软件完全手动的构建树木的每个细节，例如使用Autodesk公司的3DS MAX软件。该建模方法的控制精度较高，但建模工作量较大。有一些建模方法通过提供内置的树木模型，例如IDV公司的SpeedTree软件，用户通过交互修改已有树木模型的参数得到期望的树木模型。该建模方法速度得到了很大提升，但要求用户对建模参数具有一定的理解和掌握，并且构建与真实树木图像相似的树木模型比较困难。

第二类是基于规则的建模方法。由于植物生长符合一定生物学规则和模式，因此有许多研究者提出通过设计和使用规则来模拟树木的生长，并据此构建其三维模型，参见Ijiri，T.，Owada，S.，Okabe，M.，Igarashi，T.2005.Floral diagrams and inflorescences：interactive flower modeling using botanical structural constraints.ACM Transactions on Graphics 24，3，720-726.。虽然这类方法可以得到较为自然和真实的树木模型，但用户在设计和使用规则以及指定规则定参数时，需要比专业的背景和经验，在构建比较复杂的树木模型时，则需要使用大量规则。

第三类是基于草图的建模方法。这类方法首先让用户勾勒出树木树冠、枝干、树叶等形状的草图，然后对草图进行分析、理解和推导，生成树木模型，参见Okabe，M.，Owada，S.，Igarashi，T.2005.Interactive design of botanical trees using freehand sketches and example based editing.Computer Graphics Forum 24，3，487-496.。这类方法所需要的建模交互量一般较大，并且对于普通用户，一般难以绘制出比较合理的树木草图。

第四类是基于图像的建模方法。一些研究者通过沿树木周围拍摄多张图像，然后利用计算机视觉从运动恢复结构等算法，计算得到树木表面的三维点云，并根据这些点云进一步计算树木枝干和树叶的三维网格模型，参见Quan，L.，Tan，P.，Zeng，G.，Yuan，L.，Wang，J.，Kang，S.B.2006.Image-based plant modeling.SIGGRAPH 2006，599-604.和Tan，P.，Zeng，G.，Wang，J.，Kang，S.B.，Quan，L.2007.Image-based tree modeling.SIGGRAPH 2007，87-93.。这类建模方法构建的树木模型的细节比较真实，并且和真实树木具有较大相似度，但构建时间比较长、用户交互工作量也比较大。

上述树木建模方法，都存在建模时间长、建模交互量大、建模操作复杂等缺点。随着人们对虚拟现实需求的增长和虚拟现实应用的增多，对其开发周期的要求也在不断提高。因此研发建模成本低、建模交互少、建模速度快的快速树木建模技术十分必要。

发明内容

本发明克服了现有技术中的缺点，提供了一种从单张树木图像快速构建真实感树木模型的方法，结合主动轮廓方法、粒子仿真方法、纹理合成方法，可从单张树木图像中快速重建出树木的三维几何模型和二维纹理贴图，降低了树木的模型建模成本、建模交互工作量和建模时间，可应用于景观设计、园林设计、动漫创作、游戏开发、影视制作等领域。

本发明的技术方案包括以下六个步骤：

1)在树木图像上标记树木大致树冠轮廓和主树干中心线

拍摄一张树木图像，在树木图像上用多边形标记出树木大致树冠轮廓，用直线段标记出树木大致主树干中心线；

2)求解精确树冠轮廓、主树干轮廓和树木前景图像

采用主动轮廓方法，分别从树木大致树冠轮廓和主树干轮廓出发，通过局部最小化由连续能量、曲率能量和梯度能量加权求和组成的能量函数，求解精确的树冠轮廓和主树干轮廓，并提取出精确的树木前景图像；

3)计算树冠轮廓内部的二维树枝形状