大规模植物场景快速建模、实时绘制与真实感模拟

项目（课题）名称：大规模植物场景快速建模、实时绘制与真实感模拟

项目（课题）类型：国家863计划

项目摘要：植物个体和群体是虚拟场景中的必要对象，植物形态的复杂性和多样性决定了植物群体成为大规模的复杂场景。而植物体外形的有效获取、植物模型的快速重建、大规模植物群体的快速绘制和复杂植物场景的真实感模拟都具有极大的挑战性，需要植物形态学、计算机视觉、模式识别、几何造型、数学建模、计算机图形学、计算机模拟等学科知识的综合和相关技术的集成。这些问题的难点在于：植物体的高比例遮挡和诸多的细小器官为模型获取制造了困难，植物体高复杂度的形状变化和拓扑结构为三维重建制造了困难，器官细小性形成绘制的走样，大量内外存消耗、计算消耗、绘制消耗，巨量的信息管理与组织的复杂性，以及场景动态变化而涉及的大量的建模计算和绘制计算。这方面的工作经过多年的发展，取得了比较大的进步，而且实际应用对植物场景的真实度和复杂度要求也在不断增长。所以需要发展新的技术来解决这些问题。虽然目前已有了许多相关的成果，但是还没有一个比较全面的解决方法。我们在复杂外形重建、植物建模和实时绘制三个方面的多年工作积累的基础上，提出三者有机结合的研究方案，来解决大规模植物场景的快速建模和实时绘制问题，并用于大规模植物场景的实时模拟。

这项研究的主要研究内容是：（1）植物场景测量数据的有效获取：通过数字照片和三维激光扫描等手段获取原始测量数据，进行必要的处理和分析，基于计算机视觉原理重建出植物体的三维形态并提取几何特征数据。（2）基于测量数据的快速建模：建立植物形体发展的数学模型，通过测量数据获取结构参数并补充因遮挡等因素而缺失的数据，并引入概率模型以表现个体之间的差异和共性，最后应用子结构技术实现快速建模。（3）通过模型处理和基于硬件的技术实现植物群体的快速绘制，包括：植物几何模型的简化与压缩、植物复杂几何信息向纹理信息的分级转化、点线等新图形元素的应用、层次细节与多分辨技术、误差分析与误差控制、与视点相关的技术、几何内容的有效管理、绘制的硬件加速。（4）自然景观的发展模拟和交互漫游技术：集成新的植物生长建模技术和快速绘制技术，实现自然景观的交互漫游技术和发展模拟。

关键词：植物场景；快速建模；实时绘制