[发明专利]三维植物器官几何曲面自适应网格化方法及系统

说明书

技术领域

本发明涉及计算机图形学中的三维建模技术领域，尤其涉及植物几何造型建模方法和三维模型网格简化技术。

背景技术

自然景物的模拟是计算机图形学的一个主要的分支。植物形态的多样性和不规则性使得利用计算机生成逼真的植物模型是一个巨大的挑战。目前，三维植物建模的目的主要来自两个方面：一是植物生长和发展过程的模拟和可视化；二是植物场景的真实感绘制，即创造视觉上令人满意的植物形态。这两者都涉及到三维植物模型的实时绘制问题，即在保证一定真实感的基础上要求绘制时间越短越好。这在大规模植物生长模拟、电脑游戏、军事仿真、飞行器模拟等方面都有广泛的应用需求。

植物形态建模的开创性工作由美国学者Lindenmayer提出，他提出了L-System——一个描述植物拓扑结构的通用方法。随后，Smith和Prusinkiewicz等人为L-System的完善和普及做了大量的工作，并开发了一个基于L-System的三维植物建模软件L-studio。L-studio以器官为单位，能够生成各种植物的三维模型，每个器官都用三角形网格表示。其后，为了满足景观设计、游戏等领域对逼真的植物模型的需要，德国Lintermann等人提出了基于组件式的三维植物结构交互式设计的概念，开发了Xfrog软件。在Xfrog软件中，每个植物器官都是一个组件，植物的拓扑结构和形态则通过组合器官组件构成，在最终生成的植物模型中，每个器官也是用三角形网格表示。类似的软件工具还包括Onyx Tree等。在这些软件中，每个器官的网格曲面都是用规则的网格化方法生成，而没有考虑到网格面元的冗余和网格简化问题，这导致植物模型的面元个数都很大，影响绘制和计算的速度。

此外，许多学者也研究了各种植物器官的高精度三维曲面建模方法，如参数化的植物器官建模方法、基于图像或基于点云技术的植物三维模型重建方法等，但在这些方法中，也都是考虑重构的植物模型的准确性和真实感，而不考虑植物模型曲面网格的冗余问题。

近年来，部分研究者开展了三维植物网格模型的简化技术研究。Weber根据树木的远近对树木的网格模型进行简化，但这些方法中，远处树木简化后颜色过于单一，造成绘制结果细节模糊。后来又出现了很多其它的简化算法，如顶点精简、边塌陷、顶点聚类等，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。Remolar在2002年提出了几种简化算法，通过迭代地用一个新的叶子代替原来的两片叶子，不断减少用于表示树叶的多边形的数目，同时保持树冠的外形。但这类方法绘制效率很低，而且只适合阔叶类树叶的简化，在简化针叶类植物时，不能忠实地保持它们的物种特征。我国也有学者在这方面进行了研究，他们提出的方法是重复地把两个叶片合并为一个大的叶片，这使得原有的叶片位置和形状得以保留。这种方法产生的实际结果满足了远近察看的需要，但绘制效率不高。其后，他们又提出了一个更通用的叶片简化算法，首先为每片叶片都赋予一个密度值，用于调节对应的叶片的简化误差，使得密度越大时简化误差越小。

值得注意的是，上述植物网格模型简化方法都是在生成植物网格模型后进行的，即独立于植物网格模型的生成过程。这样虽然具有不依赖于植物模型生成的特点，但其缺点也是十分明显的：一是计算效率不高，由于整个植物模型的规模往往较大，简化过程需要在整个植物模型中进行全局搜索，算法对内存和CPU的需求都很大；二是难以保持不同器官的细节特征，在三维植物模型中，不同器官的形态的差异可能很大，因此一般都用不同的网格化方法生成，由于这些后处理方法不考虑各个器官网格曲面的生成过程，也难以判断每个网格面元隶属于哪种器官，因此网格简化过程缺乏针对性，往往会丢失器官曲面的细节特征。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，为三维植物几何模型的曲面生成和网格简化提供一种灵活、普适的方法。

为达到上述目的，本发明提供了一种三维植物器官几何曲面自适应网格化方法，包括以下步骤：

S1，按照植物器官的外形特征对植物器官进行分类，并建立各个植物器官的骨架模型；

S2，针对不同的植物器官类型，设置对器官几何曲面进行网格化时需要用到的参数；

S3，针对不同的植物器官类型，根据所设置的参数，对器官几何曲面进行自适应网格化。

其中，步骤S3包括点集生成步骤和网格化步骤，点集生成步骤是根据步骤S2中设置的参数计算得到构成器官几何曲面的点云集合；网格化步骤是从生成的点云集合中构建出器官几何曲面的多边形模型。

其中，在步骤S1中，可以将植物器官分为三类：