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妙笔生花:基于三维草图的树木建模系统

学术类 > 2组：真实感绘制与可视化

       我们开发了基于三维草图的树木实时建模系统和虚拟环境漫游系统。    

       树木建模系统能够允许用户在虚拟环境中交互式地创建树木的三维草图，并且基于该自定义的草图进行真实感树木的建模。首先用户使用控制器在虚拟场景中自由绘制树木的三维基本外观，其中树冠区域由三维凸包模型表示，树干由多条三次贝塞尔曲线表示。接着基于用户定义的树木基本外观进行枝干的增量式迭代生长，从用户定义的树干上创建更多树枝并引导其向表示树冠区域的凸包内迭代生长。我们分别基于贝塞尔曲线方法和树干迭代生长方法，创建大量树干结点。树干结点保存用于建立树干三角形网格模型所需的位置坐标和对应枝干半径以及生长方向向量。最终根据树干结点创建树干三角形网格模型，在树干上添加树叶三角网格模型，并添加纹理贴图，生成既符合用户定义的树木基本外观约束、又具有真实感特征的三维树木模型。    

       虚拟环境漫游系统用于物理空间受限情况下的虚拟场景漫游。我们提出了一个端到端的无监督原地姿态分类（7分类）深度学习模型，对用户原地姿态进行实时分类，并将行走姿态映射为虚拟空间中的漫游。我们构建了原地姿态分类数据集并用于我们网络模型的训练。实验表明，我们的方法能达到95%的分类准确率。    

       我们在Unity3D中构建系统，使用了HTC Vive Pro头戴式显示器和HTC Vive Tracker追踪器。系统运行在Win10系统，英伟达1050Ti GPU，AMD 5800X CPU。

       我们以荒漠化治理宣传为出发点，基于上述系统开发了植树造林的游戏程序。用户进入游戏场景，展示在眼前的是一片荒野区，黄沙弥漫、风起云飞。而荒野区远处是一片森林区，树木郁郁葱葱、瀑布飞流而下，与荒野区形成鲜明的对比。用户可以通过原地踏步行走的方式在场景中自由漫游，感受荒野区和森林区的不同情景。用户需要通过画笔绘制自己想象中的树枝形状和树叶区域，然后选中所绘制的笔画，生成对应的真实感树木，并可以调整所生成的树木的大小、位置，然后“种植”到荒野区。随着用户“种植”的树木越来越多，荒野区的黄沙粒子效果会逐渐消失，风也会慢慢变小（树木摇摆幅度减小）。通过让用户切身体会植树造林治理荒漠化的过程，加深用户对“绿水青山就是金山银山”的理解，加强用户保护环境、爱护树木的意识。不仅仅是植树造林，我们的系统同样可以应用于如园林栽培、园艺设计、游戏树木建模、艺术创作等众多领域。