[发明专利]一种基于草图实现形状保持的树木变形动画方法

权利要求书

1.一种基于草图实现形状保持的树木变形动画方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)创建三维树木模型；

(2)将三维树木模型用骨架和树叶簇的形式表示，包括：

(2.1)分离三维树木模型的树叶和树干，所述树干包括树木的主干部分和枝条部分；

(2.2)提取三维树木模型中树干的骨架；

(2.3)基于人对树木主干结构和树冠整体形状的视觉认知确定三维树木模型中的树冠部分，将树冠部分拆分为由树叶组成的若干个外轮廓几何结构，以树叶簇表示，并用均值坐标表示内层树叶簇侧影轮廓线与外层树叶簇侧影轮廓线的相对位置关系；

(3)选择感兴趣的视角，检测步骤(2)中所述的三维树木模型的树冠侧影轮廓线，基于草图绘制变形动画目标树冠侧影轮廓线，而后将草图映射到三维树木模型的树冠侧影轮廓线上；

(4)将三维树木模型的树冠侧影轮廓线逐渐变形成为变形动画目标树冠侧影轮廓线，并将三维树木模型的树冠侧影轮廓线的形变传递到枝条上，得到平滑的树木变形过程；

具体过程为:利用树木枝条间的层级关系，建立树叶簇的多尺度拓扑结构树，并利用变形传递算法首先将三维树木模型的树冠侧影轮廓线逐渐变形成为变形动画目标树冠侧影轮廓线，然后通过拉普拉斯变形算法将三维树木模型的树冠侧影轮廓线的形变传递到树木枝条上，从而得到平滑的树木变形过程；包括:

(4.1)将外层树叶簇当作内层树叶簇的包围网格，并建立多尺度树叶簇拓扑结构树；

(4.2)根据内层树叶簇侧影轮廓线相对于外层树叶簇侧影轮廓线的均值坐标更新内层树叶簇的侧影轮廓线，依据多尺度树叶簇拓扑结构树，不断地更新内层树叶簇的侧影轮廓线，并将外层树冠侧影轮廓线的形变沿多尺度树叶簇拓扑结构树由外及内逐渐传递到最内层最细尺度的树叶簇为止；

(4.3)依据发生形变的树叶簇侧影轮廓线对树叶簇三维模型进行形变并传递到枝条上；

(5)逐帧记录步骤(4)中的树木变形过程，得到形状保持的树木变形动画。

2.根据权利要求1所述的基于草图实现形状保持的树木变形动画方法，其特征在于，步骤(1)所述的创建三维树木模型采用的方法为：基于真实树木的点云数据重建三维树木模型、基于L-系统由计算机生成虚拟树木模型或者使用三维建模软件自由创建虚拟树木模型。

3.根据权利要求1所述的基于草图实现形状保持的树木变形动画方法，其特征在于，步骤(2.2)中使用拉普拉斯收缩算法提取三维树木模型中树干的骨架：将三维树干的模型顶点沿其法线的逆方向进行收缩，由于树干近似圆柱体的特征，树干横截面上的顶点最终收敛并汇聚成为一个骨架点，将骨架点按照树干的拓扑结构连接起来得到树干的骨架。

4.根据权利要求3所述的基于草图实现形状保持的树木变形动画方法，其特征在于，步骤(2.2)中使用拉普拉斯收缩算法提取的骨架使用球体扫成方法重新恢复成树干的三维模型。

5.根据权利要求1所述的基于草图实现形状保持的树木变形动画方法，其特征在于，步骤(3)中所述的树冠侧影轮廓线为物体空间侧影轮廓线，由三维树木模型上的一系列边构成，这些边的顶点法向量n_i和n_j与视线方向v满足如下关系：

(n_i·v)*(n_j·v)＝0。

6.根据权利要求1所述的基于草图实现形状保持的树木变形动画方法，其特征在于，步骤(3)中所述的绘制变形动画目标树冠侧影轮廓线采用的方法为：在草图上重绘树冠侧影轮廓线上感兴趣的区域并略微修改现有树冠的形状；重新绘制一个新的草图作为变形动画目标树冠侧影轮廓线。

7.根据权利要求1所述的基于草图实现形状保持的树木变形动画方法，其特征在于，

步骤(4.1)建立多尺度树叶簇拓扑结构树后对处于变形动画目标树冠侧影轮廓线外的枝条进行剪枝；

步骤(4.2)将外层树叶簇侧影轮廓线的变形传递到内层树叶簇侧影轮廓线，并在该过程中调整内层树叶簇的侧影轮廓线，使其尽可能覆盖外层树叶簇侧影轮廓线。