面向移动终端的三维植物模型简化与重构技术研究

摘要

近年来，以智能手机、平板电脑等为典型代表的移动设备得到迅速普及，其使用数量已经超出传统的个人计算机，预计在不久的将来其将获得比传统个人计算机更加广泛的应用空间。面向资源受限的移动设备的各种三维应用场景也在日益增多，如三维游戏、虚拟展示、电影特技、定位服务、动画和广告等。树木不仅在现实生活环境中随处可见，而且是自然界不可缺少的一种植物类型，在一定程度上会对虚拟三维自然场景的沉浸感和逼真度产生重要影响。由于自然界中树木的形态各异、种类繁多、拓扑结构十分复杂，若想构建出视觉效果逼真的三维树木模型，其建模过程非常繁琐且十分耗时。同时，由于当前网络带宽、延时和拥塞等网络因素和移动终端硬件条件等因素的限制，严重影响了三维植物模型在移动终端应用中交互操作的实时性。针对上述问题，
　　本文着重以三维植物模型中的树木模型为研究对象，开展面向移动终端的三维植物模型简化与重构技术研究。本文根据三维树木模型的拓扑结构特点，分别对模型的树枝和树冠部分进行简化，并在简化模型的基础上开展基于骨架个性化编辑的模型构建方法研究，主要工作和成果如下:
　　(1)针对三维树木模型点和面的几何信息数据量大的问题，本文采用保持视觉重要度的总体模型简化策略。在该简化方法中，首先，将整体树木模型分成相互独立的枝干部分和树冠部分，并分别对两部分进行独立简化;然后，为了保留树木模型的视觉感知特性，本文结合模型视觉重要区域对模型采用不同等级的简化策略。这样既有效地简化了树木模型，加快了模型网络传输效率和渲染速度，又保持了树木模型原始视觉感知效果。
　　(2)枝干是三维树木模型的重要组成部分，同时也是影响模型整体拓扑结构形态的关键因素。因此，本文采用一种结合距离变换和形状分解的三维树木枝干模型简化方法。然后，利用基于圆台、梯形平面和插值的模型重构方法进行树木枝干模型重构。本文采用的方法不仅能够很好地提取原始树木模型的骨架结构，而且模型重构方法能够较好地还原树木的几何形态。因此，该方法能够有效地简化原始树木枝干面片信息，并且能够快速重构树木枝干模型。
　　(3)为了进一步简化三维树木模型的网格数量，减小模型网络传输时间和渲染时间，本文提出一种基于凸包纹理模板贴图的三维树木树冠模型简化与重构方法。该方法通过树冠的凸包来表示树冠的整体拓扑结构，并在已有的纹理模板库中寻找符合标准的枝叶模板进行填充，然后根据凸包所形成的几何空间重构三维模型的树冠，从而达到对树冠部分的几何信息简化的目的。
　　(4)为了能够快速且多样化地构建面向移动终端的三维树木模型，本文提出一种支持骨架个性化编辑的树木模型构建方法。其本质是在简化的树木模型骨架结构的基础上，通过人机交互个性化编辑树木模型骨架细节，使其形成具有全新骨架结构的树木模型。利用树木模型重构技术，最终实现三维树木模型的快速构建。通过实验表明，该方法能够快速建模同一品种树木不同表现形态的简化模型。
　　(5)为了验证本文提出的模型简化和个性化编辑方法的有效性，本文设计和实现了三维树木模型简化和个性化编辑系统。树木模型简化和个性化编辑功能由系统交互层的PC端实现，将原始模型简化和交互式个性化编辑后存储至服务器中。移动终端可以根据需要下载树木模型文件，并在终端上进行渲染和漫游。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 研究意义

1．3 论文研究内容

1．4 技术路线

1．5 论文组织结构

第2章 相关技术研究现状

2．1 三维树木模型简化方法

2．1．1 基于几何的简化方法

2．1．2 基于图像的简化方法

2．1．3 几何与图像混合的简化方法

2．2 三维树木建模方法

2．2．1 虚拟树木建模

2．2．2 现实树木建模

2．2．3 本文主要思路

第3章 系统架构

3．1 系统需求分析

3．1．1 面向移动终端的三维树木模型简化与重构

3．1．2 支持骨架个性化编辑的树木模型构建

3．2 系统架构设计

3．2．1 交互层

3．2．2 系统核心层

3．2．3 数据层

3．3 系统核心流程

3．4 本章小结

第4章 面向移动终端的三维植物模型简化和重构方法

4．1 树木模型的简化流程

4．2 基于骨架的三维树木模型枝干简化

4．2．1 枝干简化过程

4．2．2 骨架提取方法

4．2．3 骨架提取结果

4．3 树干模型重构

4．3．1 基于圆台的枝干模型重构

4．3．2 基于梯形平面的枝干模型重构

4．3．3 基于线性插值模型重构

4．4 枝干简化的效果分析

4．5 基于纹理树冠的三维树木模型树冠简化

4．5．1 纹理树冠思想

4．5．2 普通纹理模板贴图重构树冠

4．5．3 凸包纹理模板贴图重构树冠

4．6 实验结果

4．6．1 网络传输和绘制时间对比

4．6．2 PC端视觉质量对比

4．6．3 移动终端应用效果

4．7 本章小结

第5章 支持骨架个性化编辑的树木模型构建方法

5．1 支持骨架个性化编辑的树木模型构建流程

5．2 骨架个性化编辑

5．2．1 树枝的生长点计算

5．2．2 树枝生长位置的个性化编辑

5．3 树枝生长方向的调整策略

5．3．1 向上保持生长角度

5．3．2 向下保持生长角度

5．3．3 生长方向调整策略的实现方法

5．4 树冠重构结果分析

5．4．1 PC端重构效果

5．4．2 移动终端场景应用

5．5 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 工作总结

6．2 未来工作展望

参考文献

致谢

攻读学位期间参加的科研项目和成果