CN111354081A - 大规模三维森林绘制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种大规模三维森林绘制方法，包括：S1：读取三维森林绘制区域的地面高程数据并构建数字地面模型；S2：从所述数字地面模型中分离出森林区域并利用草地噪声纹理渲染所述森林区域；S3：设置森林密度随机分布函数并在所述森林区域中生成树木分布点信息图；S4：为每个树木分布点设置树木基本模式信息；S5：根据所述地面高程数据、树木分布点信息和树木基本模式信息，得到树木综合模式信息；S6：根据所述树木综合模式信息，实现近距离不同视角的树木纹理显示；S7：利用多细节层次技术方法实现森林随观察距离变化的显隐展示。该方法能够快速绘制大规模三维森林，且绘制的三维森林真实感较强。

Description

大规模三维森林绘制方法
技术领域
本发明涉及数字地球可视化技术，特别地涉及一种大规模三维森林绘制方法。
背景技术
数字地球是一种运用海量地球信息对地球进行多分辨率、多尺度、多时空和多种类的三维描述，并利用其作为工具支持和改善人类活动和生活质量的技术，在民用领域与军事领域都有极广泛的应用。数字地球需借由三维图像构建渲染，才能发挥其作用，而三维图像构建渲染面临的最大挑战便是大型场景的生成和实时渲染。尤其是森林区域形态结构复杂，难以用统一模型建模方法进行渲染。
根据不同的建立模型方法，三维森林的构建技术分为基于多面体或其他简单几何体的绘制、基于点的绘制、基于图像的绘制和基于纹理的绘制等。基于多面体或其他简单几何体绘制三维森林的技术只能象征性地表示树木分布，森林真实感却大打折扣，且对森林的动态展示较难实现；基于点的绘制技术绘制的三维森林真实感较强，但样本数据的获取方式复杂，且受噪声的影响较大；基于图像的绘制技术适用于复杂场景绘制，但受图像分辨率影响较大，真实感偏低，且较难实现三维森林的动态展示；基于纹理的绘制技术都依赖于真实的三维模型，故绘制速度会受到较大影响，较难实现快速大规模绘制。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术或相关技术中存在的技术问题之一。
为此，本发明的目的在于提供一种大规模三维森林绘制方法，能够快速地绘制具有真实感的三维森林图像。
本发明提供的三维森林绘制方法包括以下步骤：
S1：读取三维森林绘制区域的地面高程数据并构建数字地面模型；
S2：从所述数字地面模型中分离出森林区域并利用草地噪声纹理渲染所述森林区域；
S3：设置森林密度随机分布函数并在所述森林区域中生成树木分布点信息图；
S4：为每个树木分布点设置树木基本模式信息；
S5：根据所述地面高程数据、树木分布点信息和树木基本模式信息，得到树木综合模式信息；
S6：根据所述树木综合模式信息，实现近距离不同视角的树木纹理显示；
S7：利用多细节层次技术方法实现森林随观察距离变化的显隐展示。
进一步地，在步骤S1中，利用四叉树数据结构存储读取的三维森林绘制区域的地面高程数据。
进一步地，在步骤S1中，使用二次抛物线内插法构建数字地面模型。
进一步地，在步骤S2中，利用森林占用地与非占用地的矢量数据生成纹理，根据所生成的纹理使用掩膜技术分离出森林区域。
进一步地，在步骤S3中，使用森林密度随机分布函数计算森林区域内每单位面积的树木密度与树木位置，得到树木分布点信息。
进一步地，所述树木基本模式信息包括观察视角、二维坐标和尺度信息。
进一步地，所述树木综合模式信息包括每棵树木的三维位置信息、尺度信息、观察角度信息和纹理文件。
进一步地，在步骤S6中，基于所述观察视角的范围选取纹理图中不同区域的纹理，根据每块纹理区域的透明度剔除无图案区域。
进一步地，在步骤S7中，根据观察距离的远近确定是否绘制森林区域中的树木。
本发明提供了一种大规模三维森林真实感快速绘制方法，通过使用占用地和非占用地矢量数据确定森林区域并用草地噪声纹理渲染，然后利用森林密度随机分布函数，设置每个树木分布点的树木基本模式信息，由此获取树木综合模式信息，最后实现树木的纹理选择和渲染，该方法能够实现快速绘制大规模三维森林的目的，且绘制的三维森林真实感较强，同时还能使用回调函数实现森林的动态展示；进一步地，利用草地噪声纹理渲染森林区域，既为近距离树木渲染提供森林绘制范围目视判定依据，也为远距离观察提供地面草地纹理；进一步地，四叉树数据结构的存储方式便于实时显示不同分辨率的数字高程模型而无需实时绘制；进一步地，根据观察距离的远近确定是否绘制树木既能在最大程度上保证大规模三维森林的真实感，同时也极大节省了计算机的运算资源，使大规模三维森林的绘制速度更快。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述部分中给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明的大规模三维森林绘制方法的流程图。
图2为根据本发明的草地噪声纹理渲染图。
图3为根据本发明的三维森林区域的渲染图。
图4为根据本发明的不同视角的单株树木渲染图。
图5为根据本发明的不同观察距离森林的显隐图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
参考图1，其示出了本发明的大规模三维森林绘制方法，包括以下步骤：
S1：读取三维森林绘制区域的地面高程数据并构建数字地面模型。
原始的绘制区域高程数据采用C++语言写入到底层数据库，并使用四叉树数据结构存储这些信息，使用二次抛物线插值法对DEM数据进行插值，以便于渲染的数字地面模型的缩放过程中的快速绘制。
S2：从所述数字地面模型中分离出森林区域并利用草地噪声纹理渲染所述森林区域。
利用占用地与非占用地的矢量数据实时生成纹理数据，根据所生成的纹理使用掩膜技术分离出森林区域，即将该纹理覆盖在数字地面模型表面，其中未被其它物体占用的区域即为森林区域，从而为树木生成的区域进行了限定，避免在建筑等区域生成树木的情况；然后使用草地噪声纹理对森林区域表面进行渲染，草地噪声纹理即呈现为草地效果的绿色纹理。使用草地噪声纹理渲染的结果如图2所示。
S3：设置森林密度随机分布函数并在所述森林区域中生成树木分布点信息图。
根据需求情况，设置森林密度随机分布函数，使用该森林密度随机分布函数计算森林区域内每单位面积的树木密度与树木位置，生成简略的树木分布点信息图。在森林区域生成并渲染的三维森林结果如图3所示。
S4：为每个树木分布点设置树木基本模式信息。
为需要绘制的森林内的树木设置统一的基本模式信息，包括树的高度与直径比值、最高点高度、观察角度等信息；
S5：根据所述地面高程数据、树木分布点信息和树木基本模式信息，得到树木综合模式信息。
优选地，所述树木综合模式信息包括每棵树木的三维位置信息、尺度信息、观察角度信息和纹理文件。
S6：根据所述树木综合模式信息，实现近距离不同视角的树木纹理显示。
该步骤中，首先使用C++语言读取单株树木的综合模式信息，包括单株树木的三维坐标、树木的高度、树木的直径、树木被观察的角度、树木的纹理文件等，接着使用OpenGL的着色器语言GLSL，根据树木被观察的角度范围获取不同的参数，进而在树木的纹理文件中提取不同区域的纹理图案，同时也使用OpenGL的着色器语言GLSL判断读取的纹理区域的影像透明度，并根据其透明度剔除读取的纹理区域中的空白区域，仅留下有图案的区域，然后将其作为二维纹理加载到所观察的树木上，以此实现三维森林中的树木随观察视角的变化而发生改变更接近真实感观测的展示效果。不同角度的单株树木渲染结果如图4所示，图4中的(a)为上视角，图4中的(b)为正视角。
S7：利用多细节层次技术方法实现森林随观察距离变化的显隐展示。
优选地，根据观察距离的远近确定是否绘制森林区域中的树木。利用LOD(多细节层次技术)的技术方法实现三维森林随观察距离变化而进行三维森林显隐的控制。不同距离三维森林的显隐图像如图5所示，图5中的(a)为远距离时森林隐藏，图5中的(b)为近距离时森林显示。
通过以上方法，可以快速地绘制具有真实感的三维森林，在绘制完成的大规模三维森林中，可使用C++语言调用回调参数，使其按时间变化，展示森林中树木由小到大的生长过程。
本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质包括只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存储器(Random Access Memory，RAM)、可编程只读存储器(Programmable Read-only Memory，PROM)、可擦除可编程只读存储器(Erasable Programmable Read Only Memory，EPROM)、一次可编程只读存储器(One-time Programmable Read-Only Memory，OTPROM)、电子抹除式可复写只读存储器(Electrically-Erasable Programmable Read-Only Memory，EEPROM)、只读光盘(CompactDisc Read-Only Memory，CD-ROM)或其他光盘存储器、磁盘存储器、磁带存储器、或者能够用于携带或存储数据的计算机可读的任何其他介质。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种三维森林绘制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：读取三维森林绘制区域的地面高程数据并构建数字地面模型；
S2：从所述数字地面模型中分离出森林区域并利用草地噪声纹理渲染所述森林区域；
S3：设置森林密度随机分布函数并在所述森林区域中生成树木分布点信息图；
S4：为每个树木分布点设置树木基本模式信息；
S5：根据所述地面高程数据、树木分布点信息和树木基本模式信息，得到树木综合模式信息；
S6：根据所述树木综合模式信息，实现近距离不同视角的树木纹理显示；
S7：利用多细节层次技术方法实现森林随观察距离变化的显隐展示。
2.根据权利要求1所述的绘制方法，其特征在于，在步骤S1中，利用四叉树数据结构存储读取的三维森林绘制区域的地面高程数据。
3.根据权利要求1或2所述的绘制方法，其特征在于，在步骤S1中，使用二次抛物线内插法构建数字地面模型。
4.根据权利要求1所述的绘制方法，其特征在于，在步骤S2中，利用森林占用地与非占用地的矢量数据生成纹理，根据所生成的纹理使用掩膜技术分离出森林区域。
5.根据权利要求1所述的绘制方法，其特征在于，在步骤S3中，使用森林密度随机分布函数计算森林区域内每单位面积的树木密度与树木位置，得到树木分布点信息。
6.根据权利要求1所述的绘制方法，其特征在于，所述树木基本模式信息包括观察视角、二维坐标和尺度信息。
7.根据权利要求6所述的绘制方法，其特征在于，所述树木综合模式信息包括每棵树木的三维位置信息、尺度信息、观察角度信息和纹理文件。
8.根据权利要求7所述的绘制方法，其特征在于，在步骤S6中，基于所述观察视角的范围选取纹理图中不同区域的纹理，根据每块纹理区域的透明度剔除无图案区域。
9.根据权利要求8所述的绘制方法，其特征在于，在步骤S7中，根据观察距离的远近确定是否绘制森林区域中的树木。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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