CN103914867A - 一种通过二维树冠轮廓生成三维树木的方法 - Google Patents

Abstract

一种通过二维树冠轮廓生成三维树木的方法，用于自然界三维树木的计算机模拟。根据用户输入的二维树冠轮廓，按照枝条“倒生长”的方式，生成三维树木。枝条“倒生长”的方式，是本发明最重要的区别于其他相近技术的特征。用户输入任一树木的二维轮廓，由二维轮廓线上的点推算三维轮廓面上的点，最后以三维轮廓面上的点为树枝开始生长点，以一定范围内的角度和最短生长长度为限制条件，寻找在上级枝条上的结束生长点，在开始生长点和结束生长点间绘制枝条。该发明克服了现有计算机生成树木方法中的输入复杂、形态随机的缺点，能够严格按照用户的输入构造各种形态的树木。生成速度快，生成树木的视觉效果好，适合在大规模场景中构造树木时使用。

Description

一种通过二维树冠轮廓生成三维树木的方法

技术领域

本发明涉及一种通过计算机生成自然界三维真实感树木的新方法，其特征是：只需要用户通过鼠标输入一个树木的二维树冠轮廓，然后利用本发明中的方法生成相应树冠形态的三维树木，生成速度快，适合各种由计算机生成的大规模场景中树木的三维建模，例如游戏娱乐、虚拟场景、战场等领域。

背景技术

目前，三维真实感树木的绘制方法主要有参数法，基于图像的树木绘制和基于草图的树木建模等。Oppenheimer利用分形算法来进行树的建模[1], 缺点是：在建模的过程中,需要输入较多的参数，如设置树枝间的夹角、树枝与树主干的大小比例、树主干的锥形比率、弯曲度、树枝分叉位置等参数，但是最终生成的树木在形态上也具有随机性，树形不可完全控制。Reeves和Blau提出利用粒子系统来对树和草进行建模[2]，他们重点在于强调树林总体的环境而不是去关注单棵树的结构细节。De Reffye等人提出严格按照树木本身的特征规律来进行建模[3],并在模拟树生长方面取得了较好的效果,缺点是：要实现对树的建模必须具有对数和树模型相当多的知识和了解才能实现真实自然树的建模。 Weber和Penn使用了几何规则来实现树的建模[4],其重点在于实现整棵树的几何结构。Reche-Martinez等，Neubert提出基于图像的树建模方法[5，6]， 虽然非常精确但很复杂。Okabe等人提出了基于草图的树的建模[7]，但是Okabe的方法要求用户给出树枝的结构。 Wither等人提出了通过绘制二维的树的边缘轮廓,根据轮廓生成三维几何树的草图建模树的新方法[8] ,取得了比较好的效果，但是所生成树木的细节太多，不适合在大规模场景中使用。

在各种大规模场景的构造中，用户关心的是加入其中的树木的整体形态，需要根据场景设计的需要加入特定形态、绘制速度快的树木，而不必要去关注树冠内部枝条生成的细节。本发明就是适合大规模场景中树木构造的方法，能够生成形态可控，细节较少，输入简单的三维真实感树木。

[1] Oppenheimer P.Real time design and animation of fractal plants and trees [ J]. Computer Graphics (SIGGRAPH’86 Conf.Proc.),1986,20:55-64

[2] Reeves W,Blau R.Approximate and probabilistic algorithms for shading and rendering structured particle systems [J].Computer Graphics(SIGGRAPH’85 Conf.Proc.),1985,19:313-322 

[3] De Reffye P,Edelin C,Francon J,et al.Plant models faithful to botanical structure and development [J]. omputer Graphics(SIGGRAPH’88 Conf.Proc.),1988,22:151-158

[4] Weber J,Penn J.Creation and rendering of realistic trees [J].Proceedings of SIGGRAPH’95,1995:119-128

[5] Reche-Martinez A, Martin I, Drettakis G. Volumetric recon-struction and interactive rendering of trees from hotographs[J]. ACM Trans. on Graphics(Proceedings of SIGGRAPH’04),2004,23(3):720-727

[6] Neubert B,Franken T,Deussen O. Approximate image-based tree modeling using particle flows [J].ACM Transactions on Graphics(Proceedings of SIGGRAPH’07),2007,26(3):88

[7] Okabe M, Owada S, Igarashi. Interactive design of otanical trees using freehand sketches and example-based editing [J].Computer Graphics Forum,Proceedings of urographics,2005,24(3):487-496

[8] Wither J,Boudon F,Cani M-P,et al.Structure from ilhouettes:a new paradigm for fast sketch-based design of trees [J].Com-puter Graphics Forum, Proceedings of Eurographics, 2009, 28(2):541-550。

发明内容

一种生成三维真实感树木的方法，用户输入一个树木树冠的二维轮廓，根据该二维轮廓按照枝条“倒生长”的方式，生成具有该二维轮廓特征的三维真实感树木。用户输入二维树冠轮廓可通过计算机鼠标在一软件的输入界面上完成。枝条“倒生长”的方式中需要首先通过输入的树冠二维轮廓生成三维树冠面上的点，从三维树冠面上的点开始，以一定的角度和最短生长长度的条件寻找另一个点，在两点之间生成一根树枝。

该发明克服了现有计算机生成树木方法中的输入复杂、形态随机（树木形态不能完全控制）的缺点，而且输入简单，不要求使用者对树木结构很熟悉，也不要求使用者有绘画基础，能够严格按照用户的设计构造各种形态的树木。生成速度快，不过多关注细节，注重生成树木的视觉效果，适合在大规模场景中构造树木时使用。

附图说明

图1 输入二维树冠轮廓软件界面图。

图2 三维树冠面上点的生成过程图。

图3 三维枝条的生成过程模拟图。

图4 枝条形态控制图。

图5 添加树叶后的树木图。

技术方案

下面结合说明书附图对本发明解决其技术问题所采用的技术方案详细说明。本发明涉及要生成真实感树木，所以根据树木的组成需要分为二维树冠的输入、三维树冠面点的生成、三维枝条的生成、枝条形态的控制和树叶的添加5部分来说明，其中第4部分,三维枝条的生成是本发明区别于其他树木构造方法的最重要特征。

1. 二维树冠的输入

根据本发明中的方法，我们开发了“冠形构树软件”，如说明书附图2。用户可根据自己的需要、喜好在图2右侧的树冠输入区通过鼠标拖动绘出树冠的一个轮廓线草图，软件获取轮廓草图线上的点后生成三维树冠面上的点，图2左上显示图像为三维树冠面上的点相互连接形成三维网状树冠，图2左下为以上面的冠型生成的三维树木树冠。

2. 三维树冠面点的生成

我们采用旋转取点的简单方法生成三维树冠，保证使树冠前后两个侧面的视图相似。首先以主干为分界线将图2左侧树冠轮廓线分为左右两部分，如说明书附图2（a），以主干为旋转轴，左侧轮廓线上的点顺时针旋转90度得到左侧四分之一树冠面上的点，如图2（b）是将树冠面上的点相连后的结果，左侧轮廓线上的点再顺逆针旋转90度得到左侧另一个四分之一树冠面上的点，如图2（b），树干右侧轮廓线也作类似变化后（如图2（c）），将得到图2（d）所示的三维树冠面图。

3. 三维枝条的生成

树木枝条生长有其层次性，即由主干分生第一层侧枝，再由第一层侧枝分生第二层侧枝，我们的枝条生成算法中也是按照这样的顺序来生成各个层次的枝条。如说明书附图3（a）为树冠的一个平行并过主干的剖面，图3（b）中为分生第一层枝条的模拟，枝条由冠面的一点按照箭头方向以一定的角度a寻找最短到达主干上的点，即分支点。角度a为新生成枝条与上级枝条在分支点处的夹角，具体角度用户可以通过菜单进行输入，默认角度为单轴分支树木的夹角35°~40°，且各层枝条生成时枝间的夹角都在这个范围。图3（c）为第二层枝条的生成模拟，与第一层枝条生成的区别在于每个新生树枝分支点只能在图3（b）中所示的第一层枝条上寻找，按照这样的规则，第三层枝条生成只能在第二层枝条上寻找分支点，如图3（d），以此类推来生成多层枝条。

4. 枝条形态的控制

枝条的弯曲形态通过Bezier曲线绘制，主干、第一层次和第二层次枝条的直径大小与枝条的长度成正比，并且每一个枝条的直径由底端（分支点）到顶端逐渐变小，如说明书附图4。每个枝条的直径大小D=(L×f)/La.，其中L是树枝的长度，f是直径系数(f∈[0,1])，La是枝条所在层的层数(La∈{1,2,3,4,…})。

5. 树叶的添加

可以根据枝条的层级来添加树叶，可只在高层级的枝条上添加树叶，形成树叶稀疏的树木，如说明书附图5(a)，或者所有枝条上都添加树叶，形成茂密的树木，如图5(c)。具体的树叶添加方法为：在添加树叶的枝条上取若干点作为树叶的生长点，一个生长点可添加一片或者二片树叶，树叶的形状可选择，图5中树叶形状为菱形。

Claims (4)

1.一种生成三维真实感树木的方法，其特征为：根据用户输入任一树木的二维树冠轮廓，按照枝条“倒生长”的方式，生成用户给定轮廓形状的三维树木。

2.根据权利要求1中所述的需要用户输入任一树木的二维轮廓，可通过计算机鼠标在相应软件给出的界面上的输入来完成。

3.根据权利要求1中枝条“倒生长”的方式，是本发明的最重要的区别如其他相近技术的特征，该方式需要通过权利要求2中的方式输入二维树冠轮廓后，由二维轮廓线上的点推算三维轮廓面上的点，然后从三维轮廓面上的点为树枝开始生长点，以一定的角度和最短生长长度为限制条件寻找在上级先生枝条上的结束生长点，如果能找到满足条件的点，就在开始生长点和结束生长点间绘制一个枝条。

4.根据权利要求1中“倒生长”的方式，本发明中树木枝条按层生成。