夏紅梅 張欣景 胡訓(xùn)強(qiáng)

(海軍陸戰(zhàn)學(xué)院模擬訓(xùn)練中心 廣州 510430)

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基于SpeedTree工具的三維真實(shí)感樹(shù)木建模研究*

夏紅梅 張欣景 胡訓(xùn)強(qiáng)

(海軍陸戰(zhàn)學(xué)院模擬訓(xùn)練中心 廣州 510430)

論文對(duì)SpeedTree建模軟件進(jìn)行了研究,分析了軟件的基本構(gòu)成、主要技術(shù)特性和樹(shù)木建模的具體方法。依據(jù)建模原理,對(duì)樹(shù)木整體骨架、主干、分枝、葉片等屬性進(jìn)行編輯設(shè)置,同時(shí)加入LOD、光照和風(fēng)力效果,最后將創(chuàng)建好的樹(shù)木模型加入到三維地形中,結(jié)果表明,創(chuàng)建的樹(shù)木模型具有真實(shí)度高、動(dòng)感效果好、操作簡(jiǎn)便的特點(diǎn)。

SpeedTree; 樹(shù); 構(gòu)成; 特性

Class Number TP391.9

1 引言

眾所周知,樹(shù)木是自然環(huán)境中重要的組成部分,對(duì)樹(shù)木等植物的模擬也一直是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究熱點(diǎn)[1],并廣泛應(yīng)用各領(lǐng)域中,無(wú)論是教育教學(xué),還是工業(yè)、農(nóng)業(yè)或是電影游戲,樹(shù)木的虛擬表現(xiàn)都具有重要作用[2]。SpeedTree是一款專門的三維樹(shù)木建模軟件,不僅樹(shù)木模型真實(shí)感較高,而且支持大片樹(shù)木的快速建立和渲染,同時(shí)提供了豐富的樹(shù)木模型庫(kù)和軟件開(kāi)發(fā)接口。該軟件是由美國(guó)IDV公司研發(fā)制作的,不僅可以通過(guò)插件將樹(shù)木導(dǎo)入到其他的三維建模軟件中使用,也可以為游戲引擎提供強(qiáng)大的樹(shù)庫(kù)支持[3],目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于游戲、動(dòng)畫(huà)、軍事仿真、景觀設(shè)計(jì)等方面。

2 軟件構(gòu)成

SpeedTree實(shí)際上是一個(gè)工具集,主要包括SpeedTreeCAD、SpeedTreeMax、SpeedTreeRT[4]等。

SpeedTreeCAD專門用來(lái)創(chuàng)建、修改單棵樹(shù)木效果的工具。生成的文件直接用于SpeedTreeRT在程序中加載,或者用于SpeedTreeMax。

SpeedTreeMax是與3Ds Max整合的一組插件(與Maya有一套相似的整合插件),主要用來(lái)創(chuàng)建一大片森林的效果,可以結(jié)合地形起伏來(lái)創(chuàng)建符合真實(shí)效果的森林。

SpeedTreeRT是SpeedTree的C++運(yùn)行庫(kù)。其主要實(shí)現(xiàn)的功能包括:每棵樹(shù)的實(shí)時(shí)陰影、自動(dòng)LOD切換、每棵樹(shù)隨風(fēng)搖擺的效果。

2011年SpeedTree更新到6,并根據(jù)所面對(duì)的不同用戶群體將軟件分為了三個(gè)版本,其中包括面向游戲產(chǎn)業(yè)的SpeedTree for games、面向電影業(yè)的SpeedTree Modeler Cinem和面向建筑工程行業(yè)的SpeedTree architectural。目前,SpeedTree的最新版本為7.0。

3 軟件特性

1) 樹(shù)的基本渲染

在SpeedTree中將所有的植物模型保存在.spt文件中,其結(jié)構(gòu)[4]如圖1所示。

圖1 樹(shù)的結(jié)構(gòu)

一棵樹(shù)分三部分繪制:樹(shù)干和大樹(shù)枝(branches),小樹(shù)枝(fronds),樹(shù)葉(leaves)。

branches:使用模型來(lái)繪制;

fronds:使用兩個(gè)十字交叉的面模擬小樹(shù)枝,為了節(jié)省三角形;

leaves:使用billboard(布告板)方式繪制,這樣就能產(chǎn)生視覺(jué)效果比較好的葉子了。

它這樣劃分是出于以下三方面的考慮:這幾部分的渲染狀態(tài)不一樣,動(dòng)畫(huà)的狀態(tài)不一樣,做LOD的時(shí)候也不一樣。

2) 樹(shù)的陰影系統(tǒng)

SpeedTree中將陰影分成三部分計(jì)算,首先是樹(shù)木在地面上的陰影,直接使用shadow map計(jì)算出來(lái)樹(shù)木的陰影。其次是self-shadow(自陰影),這一部分是難度比較大的地方,是通過(guò)預(yù)計(jì)算出來(lái),然后將其保存到一張shadow map中。最后是其他物體投影到自身上的陰影,這一部分難度最大,一部分分別處理,對(duì)于樹(shù)葉和支干是取其中心點(diǎn)坐標(biāo),將其變換到投影物體的光照坐標(biāo)系中,獲得投影物體的shadow map投影面的uv坐標(biāo),檢查shadow map指定位置的亮度信息作為自身的光照值。而對(duì)于主干的mesh,則需要將所有的頂點(diǎn)變換到投影物體的光照坐標(biāo)系中,計(jì)算頂點(diǎn)在shadow map的uv坐標(biāo),另開(kāi)一個(gè)pass或添加一個(gè)紋理單元使用投影物體的shadow map渲染。

3) 樹(shù)的光照

SpeedTree中對(duì)樹(shù)木的光照分為三部分進(jìn)行處理:對(duì)于主干部分使用的是per-pixel lighting(單個(gè)像素光照)。支干部分由于是兩個(gè)四方形面片,因此計(jì)算光照時(shí)使用面法線,這樣一個(gè)四方形總是一個(gè)面為亮面另一個(gè)為暗面。而對(duì)于樹(shù)葉是根據(jù)樹(shù)葉的位置來(lái)確定光照值,根據(jù)樹(shù)種的不同使用多種光照模型來(lái)確定光照,最簡(jiǎn)單的一種是通過(guò)陽(yáng)光的方向獲得一個(gè)和其垂直的通過(guò)樹(shù)木中心點(diǎn)的水平軸線,將樹(shù)葉分成兩部分,一部分渲染為帶光照,一部分渲染為不帶光照。

4) 樹(shù)的動(dòng)畫(huà)

樹(shù)的三部分的動(dòng)畫(huà)狀態(tài)都是不一樣的。風(fēng)小的時(shí)候或者樹(shù)離視點(diǎn)比較遠(yuǎn)的時(shí)候,只動(dòng)樹(shù)葉。

樹(shù)葉的動(dòng)畫(huà):通過(guò)一個(gè)billboard的來(lái)回平移以及它本身繞視坐標(biāo)系統(tǒng)Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。

樹(shù)枝的動(dòng)畫(huà):通過(guò)它的引擎本身計(jì)算出來(lái)的矩陣進(jìn)行動(dòng)畫(huà)。

5) LOD的特點(diǎn)

這里的LOD分三方面:頂點(diǎn)的LOD,紋理的LOD,動(dòng)畫(huà)的LOD。

· 頂點(diǎn)的LOD:首先是針對(duì)樹(shù),樹(shù)干的建立,它是采用貝塞爾曲線來(lái)描述整個(gè)面片的,貝塞爾曲線的描述方式無(wú)疑給即時(shí)高效率的LOD計(jì)算提供了可行性。同時(shí)還針對(duì)樹(shù)枝,遠(yuǎn)了之后,小樹(shù)枝就不渲染了。到了一定的距離的時(shí)候,整棵樹(shù)就變成一個(gè)billboard了。

· 紋理的LOD:樹(shù)干上在最高精度的時(shí)候會(huì)有三套紋理:基本紋理,光照貼圖,法線貼圖。隨著LOD的進(jìn)行,可以依次減去法線貼圖,光照貼圖,最后是本身貼圖,最后只為樹(shù)干渲染一種顏色。

· 動(dòng)畫(huà)的LOD:有三種動(dòng)畫(huà),大樹(shù)枝(模型)的動(dòng)畫(huà),小樹(shù)枝(兩個(gè)交叉面)的動(dòng)畫(huà),以及樹(shù)葉的動(dòng)畫(huà)。隨著LOD的進(jìn)行,依次去掉大樹(shù)枝的動(dòng)畫(huà),小樹(shù)枝的動(dòng)畫(huà),最后是樹(shù)葉的動(dòng)畫(huà)。

4 建模方法

樹(shù)木的建模使用的是SpeedTreeCAD進(jìn)行樹(shù)木幾何參數(shù)建模。

SpeedtreeCAD主要以編輯參數(shù)為基本原理。軟件啟動(dòng)后,顯示自帶的一個(gè)樹(shù)木初始模型,通過(guò)調(diào)整樹(shù)木幾何形態(tài)參數(shù)來(lái)改變樹(shù)的外形。主要包括對(duì)主干、樹(shù)枝、樹(shù)葉的參數(shù)化調(diào)整。另外還有LOD、材質(zhì)、光照設(shè)置。用戶通過(guò)參數(shù)面板提供的參數(shù)接口調(diào)整樹(shù)木的幾何形態(tài)結(jié)構(gòu)和紋理特性。一般使用比較多的是對(duì)樹(shù)主干、樹(shù)枝、樹(shù)葉的調(diào)整。

首先,根據(jù)各種樹(shù)木的形態(tài)特征,在Global屬性頁(yè)面確定樹(shù)木的基本骨架,然后編輯樹(shù)干、分枝和葉片等屬性,最后編輯LOD、風(fēng)力和光照,其流程圖如圖2所示。

1) 創(chuàng)建樹(shù)的基本骨架

在Global屬性頁(yè)面可對(duì)整棵樹(shù)的基本形態(tài)和運(yùn)動(dòng)屬性進(jìn)行編輯,比如樹(shù)的形狀、編輯范圍、相對(duì)地平面高度、樹(shù)葉的稠密程度等,其參數(shù)設(shè)置如圖3所示。

圖2 樹(shù)木建模流程圖

圖3 樹(shù)木整體參數(shù)面板

2) 樹(shù)干參數(shù)的設(shè)置

“Trunk”屬性面板主要用來(lái)設(shè)置樹(shù)干的長(zhǎng)度、寬度、彎曲度、分枝長(zhǎng)勢(shì)等。Start angle控制樹(shù)干相對(duì)于地面的生長(zhǎng)方式。Flexibility決定樹(shù)干的彎曲性,并沿著樹(shù)干長(zhǎng)勢(shì)而分布,其參數(shù)面板如圖4所示。

圖4 樹(shù)干參數(shù)面板

圖5 樹(shù)枝參數(shù)面板

3) 大樹(shù)枝(分枝)參數(shù)的設(shè)置

Branches屬性可設(shè)置樹(shù)木的分枝,“Level”參數(shù)顯示目前當(dāng)前樹(shù)木有多少分枝,哪個(gè)分枝處在編輯狀態(tài)。“Generation”控制當(dāng)前主樹(shù)干生長(zhǎng)出多少個(gè)樹(shù)枝及長(zhǎng)出點(diǎn)。“Shape Definition”所有屬性通過(guò)調(diào)節(jié)曲線形式而實(shí)現(xiàn),用來(lái)控制分枝的長(zhǎng)度、稠密度、彎曲性以及新枝相對(duì)于母枝(或上一級(jí)分枝)的生長(zhǎng)角度,其參數(shù)設(shè)置如圖5所示。

4) 小樹(shù)枝(葉狀體)參數(shù)的設(shè)置

該節(jié)點(diǎn)用途多變,是由支節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)變而來(lái),代表了一種形狀類似棕橺葉那樣具備中軸枝條,周圍呈片狀展開(kāi)的幾何模型,最常見(jiàn)的用法是作為小樹(shù)枝使用[5]。

Fronds屬性用來(lái)設(shè)置小樹(shù)枝,其面板如圖6所示,“Generation”參數(shù)用來(lái)控制小樹(shù)枝的位置和使用方法。

5) 樹(shù)葉參數(shù)的設(shè)置

Leaves屬性用來(lái)設(shè)置樹(shù)葉的大小,類型和分布情況。其面板如圖7所示,其中,“Generation”參數(shù)用來(lái)控制樹(shù)葉的數(shù)量和位置、“Placement”控制樹(shù)葉的分布和稠密度、“Texture Maps”指定樹(shù)葉的紋理貼圖。

圖6 小樹(shù)枝參數(shù)面板

圖7 樹(shù)葉參數(shù)面板

6) 樹(shù)的行為參數(shù)設(shè)置

此部分主要是指樹(shù)模型的LOD、風(fēng)力效果和光照效果參數(shù)的設(shè)置。

LOD屬性面板用來(lái)控制LOD的初始化和SpeedTree的自動(dòng)LOD系統(tǒng)的行為?？煞謩e設(shè)置樹(shù)葉和布告板、大樹(shù)枝以及小樹(shù)枝的LOD屬性。在LOD優(yōu)化方面,圖8說(shuō)明了在極遠(yuǎn)處的樹(shù)木,我們只需要兩個(gè)多邊形加上霧化就足夠真實(shí)了,而隨著距離的拉近,SpeedTree動(dòng)態(tài)將樹(shù)木的多邊形數(shù)量調(diào)整到了1126個(gè),最大程度上達(dá)到了性能和視覺(jué)效果的平衡。

在Wind屬性頁(yè)中只需定義樹(shù)木哪些部分(樹(shù)葉、分枝)受到風(fēng)的影響以及樹(shù)葉的搖擺和聲音參數(shù),SpeedTree就可以讓樹(shù)木實(shí)時(shí)生成絕對(duì)逼真的擺動(dòng)效果。

圖8 LOD示意圖

在Lighting屬性頁(yè)中可分別設(shè)置大樹(shù)枝、小樹(shù)枝和葉子的光照方式,光照方式可設(shè)為動(dòng)態(tài)光照或者靜態(tài)光照。光照方式設(shè)置好后通過(guò)計(jì)算即可看到光照效果。

按照上面的樹(shù)木建模步驟,筆者建立了幾種樹(shù)木模型,并將之應(yīng)用于建好的地形中[6～9],在Vega Prime里調(diào)整環(huán)境風(fēng)參數(shù)[10],樹(shù)木模型能夠以搖擺的方式做出逼真的反應(yīng),調(diào)整視點(diǎn)遠(yuǎn)近,能觀察到樹(shù)木模型能夠按設(shè)定的LOD變化,距離越遠(yuǎn),樹(shù)模型的面數(shù)越少,距離越近,樹(shù)模型細(xì)節(jié)越多,其效果圖9所示。

圖9 樹(shù)模型效果圖

5 結(jié)語(yǔ)

SpeedTree是一款強(qiáng)大的三維樹(shù)木建模軟件,建立的模型真實(shí)度比較高,能夠清晰的表示樹(shù)木的基本形態(tài)。運(yùn)用LOD屬性,能夠在優(yōu)化性能的同時(shí)模擬逼真的視覺(jué)效果；運(yùn)用風(fēng)力屬性,能夠真實(shí)模擬樹(shù)木隨風(fēng)搖擺效果；運(yùn)用光照屬性可以產(chǎn)生明暗及顏色上的變化,能夠模擬光源生成陰影效果。該軟件操作簡(jiǎn)便,兼容性好,應(yīng)用廣泛。

[1] 金小進(jìn),馬堯海.三維樹(shù)木的真實(shí)感模擬[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì),2010,31(8):1753-1756.

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[9] 張靜,楊麥順,劉萍芬.基于Vega的視景仿真應(yīng)用系統(tǒng)研究與研究[J].微電子學(xué)與計(jì)算機(jī),2008(2):93-96.

[10] Presagis USA Inc. Vega_Prime_Parametric_Culture_Tutorial,Version 5.0[Z]. February 2011.

Modeling of Realistic 3D Tree Based on SpeedTree

XIA Hongmei ZHANG Xinjing HU Xunqiang

(Training Simulation Center, Naval Marine Academy, Guangzhou 510430)

In this paper, the SpeedTree modeling software is studied, and the basic structure, technical features and trees modeling methods of the software are analyzed. Based on the modeling principle, the overall frame, trunk, branch and leaf of trees are edited, simultaneously, the LOD, illumination, wind effect are joined. Finally the created tree model is added to the 3D terrain. The results show that created trees model has high fidelity, dynamic, easy-to-operate features.

speed tree, tree, composition, feature

2014年7月3日,

2014年8月15日

夏紅梅,女,碩士,研究方向:系統(tǒng)建模與仿真、作戰(zhàn)模擬等。

TP391.9

10.3969/j.issn1672-9730.2015.01.026