基于自適應布告板的三維樹木表達方法①

高亦遠,李 豪,葛榮存,李佳祺,李 創,佘江峰

(南京大學 地理與海洋科學學院 江蘇省地理信息技術重點實驗室,南京 210023)

1 引言

自然景觀是虛擬三維地理場景的重要組成部分,景觀要素的相關渲染技術被廣泛應用于地理信息系統、游戲、虛擬現實、動畫等領域[1–3].作為自然景觀中的常見要素,樹木的表達一直是研究的熱點和難點[4].由于樹木形態自身的復雜性,樹木的真實感表達與場景的渲染效率之間存在著矛盾[5,6]:由大量三角面片構成的模型雖然可以有效表達樹木形態,但渲染效率較低,而使用較少幾何面片構成的模型則真實感不足,二者都會影響用戶體驗.目前三維場景中樹木的表達方法大致分為兩類[6],一類是基于幾何模型的繪制方法,另一類是基于紋理圖像的繪制方法.

基于幾何模型的方法通過算法簡化樹木模型,從而解決樹木結構過于復雜導致的渲染耗時問題.例如:Remolar 等提出了樹葉合并簡化算法[7],將相似的樹葉進行合并;郭星辰等提出了一種參數化的方式對植物形態特征予以集成和組織,滿足了樹木的共性特征[8];Lluch 等提出了多層次模型表示法[9],實現模型的簡化;Zhang 等提出了基于植物器官的層次合并算法[10],引入了葉序、花序等概念來進行層次合并.以上方法雖能在單株樹木上達到簡化效果,但在渲染大規模森林場景時總體的渲染負擔依舊繁重.在大規模植被的可視化表達方面,Li 等提出了一種基于圖的中性景觀模型,能快速生成具有真實感的森林景觀格局,但在渲染性能方面還需要深入研究[11].

基于紋理圖像的繪制方法將樹木的幾何模型用簡單面片表示,其繪制工作量基本與樹木的形態復雜度無關.布告板是這類方法的一種簡單而典型的實現,其基本思想是將幾何模型替換為始終朝向觀察者的平面布告板,通過將物體某個角度觀察的快照作為紋理貼到布告板上,從而減少動態渲染時的計算量[12].但是傳統布告板的缺點也很明顯,當視點變化時布告板上的紋理貼圖不會發生變化,真實感比較缺乏.在布告板方法的基礎上,相關學者提出了布告板云方法[13,14],該方法將樹木拆解為多個布告板進行表達,在每個布告板貼上相應的紋理圖片.這在一定程度上解決了單布告板缺少三維立體感的問題,但在表達精細的樹木模型時需要大量的布告板面片,使得渲染時的計算量大為增加.Maciel 等提出了Impostor 方法[15],在預計算階段將樹木模型渲染到一個面,減少了幾何復雜度.在此基礎上孫雪波等又提出了基于動態Impostor 技術的樹木快速繪制方法[16],可以實現樹木的多角度表達,但視角變化時紋理仍需實時生成,實時計算量仍然很大.She 等提出了球面布告板的概念,使用不規則球面模擬樹冠,與傳統布告板相比,其幾何復雜度和紋理復雜度略有提高,但對于特定樹木可以取得較好的表達效果[17].

本文提出了一種新的布告板方法,使用單個平面布告板作為樹木模型的幾何替代物,根據視點位置動態切換與觀察方向及距離最相適應的紋理貼圖,所取得的樹木三維表達效果與觀察方位具有更好的一致關系.

2 模型數據生成

自適應布告板方法首先需要獲取多個觀察方向以及視距上的樹木紋理圖片集合,可用于后期場景渲染時的動態選取.對于比較重要的樹木(如古樹名木),如需要還原樹木的原貌,可以采用人工或無人機實地拍攝的方法,獲得樹木在不同距離或方位上的高清照片;對于數量龐大的普通樹木,可以采用計算機模擬的方法分類獲得多方位觀察效果圖.無論采用哪種方法,對于每一張圖片,都要記錄下該樹木圖片所對應的觀察方位以及視距.以計算機模擬方法為例,有關過程如下:

2.1 紋理圖片生成

在具有樹木高精細模型的前提下,通過設置相機位置、光照、分辨率等渲染參數,利用三維軟件獲得同一樹木在不同觀察方位和視距下的渲染圖像.具體步驟如下(圖1):

1)將樹木模型(高為h)置于原點,將模型高度的1/2 處設為樹木的中心;

2)設定相機位置到樹木中心距離r,保證渲染的樹木完整,并設置水平及垂直方向的采樣間隔角度;

3)根據水平和垂直方向間隔角,以及相機到樹木的距離,確定相機的位置,渲染對應位置的紋理圖片.垂直角θ、水平角σ與相機位置(X,Y,Z)間的公式如式(1)～式(3),渲染效果如圖2所示.

在此過程中,應對生成的圖片標注方位和視距等信息,以便于在漫游過程中,根據視點與樹木的相對空間關系方便地選取最合適的圖片作為紋理.

圖1 樹木的多方位視覺效果的生成示例

圖2 同一樹木的多方位渲染效果

2.2 紋理圖片預處理

與傳統布告板相比,自適應布告板可以解決特定視角下的渲染缺陷,但也存在一些新的困難.傳統布告板只需要將樹木紋理圖片的樹根部位與地面相接就可將樹木固定在場景中.使用自適應布告板時,樹木根部會隨著紋理圖片的觀察角度變化而發生渲染位置的變化.如圖3所示,3 棵樹木垂直觀察角度分別為:0 度、50 度、90 度.當觀察的垂直角由0 逐漸增加時,樹根位置將由圖像底部上移至圖像中部.在場景中若根部定位不恰當就會出現圖4所示錯誤.

為確保樹木表達的準確性,需要在每次切換紋理圖片時動態調整布告板的位置,使得樹木根部定位點與地形高度一致,形成樹木“長”在地上的效果.這需要對每張圖片額外標注根部定位信息.本文采用的方法為固定樹木中心點的位置,使樹根在不同視角上都與地面相接.

具體步驟為:先測量一張水平角度生成的紋理貼圖中樹木根部距離圖片底部的距離d1 及紋理圖片的高度d2;然后,將布告板置于場景中,令其中心位置距離地形該點高度d2–d1 處.在調整后的場景中,無論從什么位置觀察樹木圖片都可以保證樹木根部與地形固定點相接.

圖3 樹根位置變動示意圖

圖4 樹根定位的錯誤效果與正確效果比較

3 樹木實時渲染

3.1 自適應布告板

傳統布告板使用一張紋理圖片表示物體,減少幾何復雜度,提高渲染性能.當視點發生變化時,旋轉布告板,使其始終面向相機位置.但觀察角度發生變化時,紋理圖片并不會發生改變,影響真實感.

自適應布告板的主要思想是,生成目標物體的多視角紋理圖片集,根據布告板與視點的相對方位關系,從多視點紋理圖片集中選擇與觀察角度最契合的紋理圖片在布告板上顯示.

當視點位置發生變化時,則自動切換布告板上的紋理圖片,使之與視角同步變化,實現觀察效果與觀察角度的一致.這樣,可以使布告板展現出近似真實模型的效果.

自適應布告板方法具體包括以下幾個步驟:

1)預先生成(或拍攝)樹木在各個相對方位與距離上的樹木紋理圖片;

2)根據視點和布告板的相對位置關系得到觀察方向和距離;

3)根據觀察方向計算旋轉矩陣,調整布告板位置,使其朝向相機位置;

4)尋找與觀察方向和視距最匹配的圖片,并將圖片用作為紋理更新到布告板上;

5)當視點移動時,從第2 步開始新的紋理選擇過程.

根據視點P1(x1,y1,z1)布告板中心P0(x0,y0,z0)計算水平角θ與垂直角σ的公式為:

根據計算得到的水平角和垂直角,查詢距離該點位置最近的紋理圖片.依據由水平角θ與垂直角σ推算出的旋轉矩陣來調整布告板的方向,使其始終朝向相機.

3.2 紋理查詢

紋理查詢的直接方法是遍歷已有圖片對應的拍攝控制點,分別計算控制點到觀察點的相對方位和距離,并選擇最接近的控制點所對應的紋理圖片.但是當紋理圖片集合較大時,遍歷全部拍攝控制點代價過大.改進辦法是:基于觀察點位置查詢其周圍特定范圍內的拍攝控制點,以減少比較次數.

根據紋理圖片的獲取方式及其方位信息,可將紋理圖片查詢分為規則和不規則兩種方式.三維軟件渲染生成的紋理圖片相機位置精確可控,相鄰控制點間水平角或垂直角間隔一致,根據觀察點位置以及水平與垂直間隔角可以快速確定周圍的4 個拍攝點,從中選擇最近拍攝點的紋理圖片.但真實拍攝的影像紋理圖片難以精確控制其拍攝方位,拍攝位置分布也具有不規則性等特點,在這樣的拍攝圖片集中尋找合適的紋理面臨較大的困難,需要利用已有的拍攝控制點生成空間 Delaunay 三角網,再確定觀察方位點所在三角形,最后尋找與視點最近的點所對應的紋理圖片(圖5).

3.3 紋理加載

基于自適應布告板的樹木表達方法有效減少了場景交互過程中的樹木渲染計算負荷,能夠在計算能力較弱的平臺上更流暢地渲染三維樹木.但在圖片較多的情況下,紋理讀取和加載的壓力也會變大,需要一種合適的紋理加載方法以提高效率.本文采用異步加載以及緩存相結合的方法,算法過程如圖6所示.

一般來說,從硬盤或網絡中加載紋理圖片耗時長,如果減少紋理圖片的加載次數將會有效減少系統的IO 壓力.利用紋理圖片緩存技術,可以減少加載重復紋理的時間消耗[15,18].但紋理圖片緩存也有弊端:緩存過多紋理圖片會占用大量的內存,這會導致計算機性能的嚴重下降.可設置一個定長的圖片緩存隊列,當緩存圖片數量超過隊列長度時,主動釋放哪些早先加載但使用頻率較低的紋理圖片.

圖5 紋理圖片規則(左)與不規則(右)尋址示例,紅色圓點為觀察點,黑色圓點為拍攝控制點

圖6 紋理圖片加載流程圖

本方法總體的流程如圖7所示.

4 實驗流程及結果

4.1 實驗環境及數據

基于瀏覽器的三維場景渲染是三維應用的一個熱點,和桌面應用軟件相比,Web 應用最大的優勢是客戶端免安裝,但瀏覽器又是一個典型的渲染計算能力比較弱的環境,能否在瀏覽器環境提供可接受的渲染性能是本文方法是否可用的一個重要驗證.本文基于WebGL 技術檢測瀏覽器端的樹木渲染效果.軟件環境為Chrome 63,WebGL 1.0.硬件環境為:CPU Intel Core i7 2.6 GHz,內存8 GB,GPU 為NVIDIA GeForce GTX1060,顯存3 GB.

實驗中使用3DS 格式樹木模型,來源于archibase.net 網站,選用了6 種樹木模型,頂點數84 441 至1 516 168不等,模型數據量大小為2.25～38.5 MB 不等.使用Blender 軟件將樹木模型渲染生成紋理圖像集合,采用的水平角間隔和垂直角間隔均為2 度,對每種樹木各渲染了8280 張圖片,構成了樹木的紋理圖片集.

圖7 自適應布告板法總體流程圖

4.2 實驗結果

相較于傳統布告板方法,自適應布告板樹木表達方法有效改進了非水平方向觀察時存在的真實感不足問題(圖8).在表達大規模樹木時,為了避免樹木在觀感上過于整齊一致,為樹木增加一個隨機的水平擾動角度,使得從同一方向觀察的不同個體樹木的效果有所差異,增加了場景的總體真實感(圖9).

圖8 傳統布告板與自適應布告板對比

圖9 三維場景中樹林的表達

在表達樹林場景時,如果使用常規的幾何模型方法,每增加一棵樹木都會增加大量的幾何面片,消耗大量的計算資源.使用紋理貼圖替代幾何模型表達樹木后,增加一棵樹木只會增加渲染紋理圖片的存儲空間,不會顯著增加更大的計算壓力.此外,由于同類樹木可以共享紋理圖片庫,對于這種情況,紋理圖片的存儲和管理事實上不會增加過多的額外負擔.

試驗表明,在包含100 棵樹木的三維場景中動態漫游時,瀏覽器渲染幀率可達到60 fps;在由500 棵樹木構成的場景中,紋理圖片加載完成后,仍能以50 fps以上的幀率運行.

若直接使用高精度的樹木三維模型,受瀏覽器性能的限制,僅包含100 棵樹木的三維場景就已經卡頓嚴重,甚至難以運行,十分影響用戶體驗;若使用傳統的布告板方法,雖然渲染幀數得到了保障,但有明顯的“紙片感”,這種問題在俯視的情況下尤甚.

自適應布告板樹木表達方法使得渲染效率顯著提高,場景交互更為流暢,在真實感表達方面也顯著優于傳統的布告板技術.

5 總結與展望

本文提出自適應布告板的樹木表達方法,在預先生成的樹木的多方位圖像中,根據視點變化動態檢取最匹配的圖像作為紋理,在布告板上實時動態切換紋理,在有效減少場景中樹木的幾何復雜度的同時,提高了樹木的真實感效果,取得了渲染效率與渲染效果的較好平衡,對于渲染計算能力較弱的環境(如Web 瀏覽器)也具有很好的適用性.

進一步研究可考慮繼續優化樹木的紋理圖片獲取方法和紋理加載算法,進一步降低紋理圖片加載的負擔;同時考慮為樹木添加陰影效果,增強三維場景的真實感.在此基礎上,還可以考慮為常見樹木種類建立紋理圖片庫,以滿足更為廣泛的應用需求.