基于OSG的Speedtree植物模型繪制研究

劉 穎，羅 岱，黃心淵

（北京林業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院，北京100083）

0 引 言

我國國家林業(yè)局在2001年提出了 “數(shù)字林業(yè)”的概念。林業(yè)信息的可視化是數(shù)字林業(yè)的一個重要組成部分，是林業(yè)信息處理的一個必要的環(huán)節(jié)［1］。2007年，北京林業(yè)大學(xué)信息學(xué)院在數(shù)字林業(yè)背景下開始進行林業(yè)可視化方面的研發(fā)工作，2008年和2009年分別基于OSG實現(xiàn)了林地可視 化 系 統(tǒng)［2，3］和 基 于 紋 理 替 換 的 植 物 建 模 與 繪 制［4－5］，2010年在此基礎(chǔ)上開發(fā)森林景觀可視化框架［6］。但林業(yè)信息可視化的任務(wù)不單是完成基本的林分?jǐn)?shù)據(jù)三維可視化，還需在森林植被真實感繪制方面也要達到較高的水平，對于已有的森林景觀可視化框架，需要提高其繪制的真實感與繪制效率。然而森林植物的幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜性導(dǎo)致三維模型產(chǎn)生大量的面片數(shù)，使仿真系統(tǒng)運行緩慢，所以一般的林業(yè)可視化系統(tǒng)在進行大片森林仿真時一般采用基于圖像的建模方法，以避免基于多邊形建模生成的大量模型面數(shù)，例如廣告牌技術(shù)、紋理切片等方法［6］，但這些方法都以降低樹木的真實感為代價，真實感較差。

美國IDV公司開發(fā)的Speedtree 5.2植物模型軟件（以下簡稱Speedtree）不僅植物模型真實感較高，而且在模擬大面積森林植物時繪制效率較高，同時提供了豐富的植物模型庫和軟件開發(fā)接口。Speedtree植物模型軟件的特點可以滿足景觀可視化框架的改進需求。所以，引入Speedtree5.2植物模型到森林景觀可視化框架，不僅可以完善我院森林景觀可視化平臺，同時又是林業(yè)信息可視化工作的一項重要進展。

1 Speedtree植物模型渲染特性

Speedtree作為國際上主流的植物建模軟件，它包含4個組件，分別是建模組件（Speedtree modeler）、編譯組件（Speedtree compiler）、軟件開發(fā)包（Speedtree SDK）及其植物模型庫。其植物模型采用混合繪制技術(shù)，將基于圖像的繪制技術(shù)和基于多邊形的繪制技術(shù)相結(jié)合，無論從繪制速度或植物細節(jié)表現(xiàn)來講，都優(yōu)于基于圖像和基于多邊形的繪制技術(shù)。Speedtree將樹木模型為樹干、樹枝、細枝和樹葉4個組成部分。其紋理分為3級，分別是基本貼圖、光照貼圖和法線貼圖，其中法線貼圖對提高植物真實感有重要作用。

在Speedtree中，如果一個模型離攝像機越近，則模型細節(jié)越多，反之，離攝像機越遠面數(shù)越少，模型距離攝像機的距離與模型面數(shù)成線性差值關(guān)系。一般情況下Speedtree的多細節(jié)層次技術(shù)（Level of Detail，LOD）包含近距離和遠距離兩個數(shù)值，在這兩個距離值中間劃分為若干個LOD層次，距離大于LOD遠距離時則使用布告板模式代替幾何模型。如圖1所示。

圖1 Speedtree植物模型的LOD技術(shù)

2 Speedtree植物模型在OSG中的繪制方法比較

Speedtree植物模型在OSG中的繪制有4種方法，即：基于網(wǎng)格模型的方法、基于Speedtree核心庫的方法、基于Speedtree森林層級的方法和基于Speedtree渲染接口的方法。

2.1 基于網(wǎng)格模型的方法

基于網(wǎng)格模型的方法是利用建模組件（Speedtree modeler）中的原有功能，從應(yīng)用程序中導(dǎo)出通用的網(wǎng)格模型并在OSG中渲染該模型，例如 “obj”格式?；诰W(wǎng)格模型的方法是最簡單、快速的方法，但網(wǎng)格模型只包含了幾何、紋理等靜態(tài)信息。不能利用Speedtree特有的LOD技術(shù)、風(fēng)效、布告板方案、森林管理方案和裁剪優(yōu)化等［6］。網(wǎng)格模型不僅需要靠OSG自行實現(xiàn)LOD等優(yōu)化技術(shù)，而且渲染效果由于失去了很多Speedtree模型特性。

2.2 基于Speedtree核心庫的方法

Speedtree5.2植物建模軟件提供了的核心庫使得OSG引擎可以獲得所有的建模組件（Speedtree modeler）產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。單株樹木的渲染效果與建模組件中的顯示效果相似。但此集成方法不包括Speedtree特有的布告板方案、森林管理方案、裁剪引擎、自動LOD技術(shù)等［7］。當(dāng)需要大規(guī)模森林時，此方法不能有效地進行森林級別的渲染優(yōu)化，渲染效率低，不適合森林場景的繪制。

2.3 基于Speedtree森林層級的方法

森林庫層級的集成方法提供了非常有效的剔除算法，可同時處理大片、多個森林，提供LOD技術(shù)［7］。因需處理的數(shù)據(jù)過多，該方法省略了一些特性，比如基于頂點shader實現(xiàn)的風(fēng)效等。

2.4 基于Speedtree渲染接口的方法

Speedtree SDK 5.2提供了一套基于 Speedtree渲染接口集成方法，可以將Speedtree的全部特性功能加以利用，繪制效果逼真，渲染效率在以上3種方法中是最高的。但是此套渲染程序不方便用戶自定義某些功能特性，只能直接使用接口中預(yù)設(shè)的功能。

3 Speedtree植物模型在OSG中的繪制

經(jīng)過4種Speedtree植物模型在OSG中的繪制方法比較和森林景觀可視化平臺［7］的實際改進需求，本文采用了基于Speedtree渲染接口的繪制方法，并對Speedtree和OSG各自的渲染系統(tǒng)進行研究，并提出了實現(xiàn)Speedtree植物模型在OSG中的繪制算法。

3.1 Speedtree與OSG渲染原理

3.1.1 OSG場景圖形組織方式

OSG圖形系統(tǒng)是一個基于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)OpenGL的軟件接口。OSG場景圖形的組織方式呈樹狀結(jié)構(gòu)，根節(jié)點下包含若干個組節(jié)點，組節(jié)點中又包含了若干葉節(jié)點。場景圖形組織方式如圖2所示。

圖2 OSG場景圖形組織方式

3.1.2 OSG場景圖形渲染方式

OSG中的動態(tài)的幾何體更新，揀選，排序和高效渲染，需要進行更新遍歷、揀選遍歷和繪制遍歷。更新遍歷是實現(xiàn)動態(tài)場景的遍歷，它由程序或者場景圖形中節(jié)點對應(yīng)的回調(diào)函數(shù)完成［8］。更新遍歷包含了虛擬場景中的攝像機更新等。揀選遍歷主要負(fù)責(zé)檢查場景中節(jié)點的包圍體，將在包圍體中的節(jié)點添加的OSG渲染列表中［8］。繪制遍歷會依次遍歷揀選遍歷過程中生成的幾何體列表，并執(zhí)行Open－GL操作進行渲染［9－11］。

3.1.3 Speedtree的渲染方式

Speedtree提供的軟件開發(fā)包（Speedtree SDK）為實現(xiàn)與其他三維渲染引擎的兼容提供了應(yīng)用程序接口。使用該接口，用戶可以構(gòu)建一個森林虛擬環(huán)境，包括地形、森林植物分布、植株對象及其引用創(chuàng)建以及風(fēng)力、光照、視口等的定義。最后，這個虛擬環(huán)境可以提交Speedtree植物建模軟件的渲染子系統(tǒng)完成實時繪制。具體過程如下：

圖3 Speedtree例子程序渲染流程

Speedtree的渲染方式［7］如圖3所示，其流程呈流水線狀態(tài)，首先設(shè)置全局風(fēng)和更新攝像機的位置，完成準(zhǔn)備工作后，開始繪制。森林組件的繪制，包括樹木枝條、側(cè)枝、網(wǎng)格形式地葉片、布告板形式的葉片、水平和垂直的布告板、地形以及草地。最后結(jié)束渲染。流水線形式地渲染方式簡單明了，有利于后期集成開發(fā)。

3.2 Speedtree在OSG中繪制的實現(xiàn)

一般的幾何體在OSG中繪制時，有一套完整的渲染流程，Speedtree植物模型作為待渲染的幾何體，也同樣參與到OSG的整套渲染流程中。但由于我們需要保留Speedtree植物模型的渲染特性，其本身也具有完整的渲染流程，因此OSG渲染流程和Speedtree的渲染流程如何進行融合成為了研究的重點問題。

3.2.1 Speedtree植物模型在OSG中的存在形式

OSG場景管理的機制要求Speedtree植物模型數(shù)據(jù)集成到OSG場景中時，需要設(shè)計成為OSG的節(jié)點管理模式，也就是說Speedtree植物模型的幾何數(shù)據(jù)和渲染狀態(tài)數(shù)據(jù)必須以一個或多個節(jié)點的形態(tài)存儲到OSG場景中，如圖4所示，Speedtree植物模型作為一個Speedtree節(jié)點存在于OSG場景中。

3.2.2 坐標(biāo)系統(tǒng)的同步

圖4 Speedtree節(jié)點在OSG中的存在形式

在Speedtree的集成開發(fā)工作中，坐標(biāo)系統(tǒng)必須要進行統(tǒng)一。Speedtree軟件開發(fā)包（Speedtree SDK）為了配合不同渲染引擎分別設(shè)置了不同的坐標(biāo)系統(tǒng)［7］，如圖5所示。

圖5 Speedtree軟件開發(fā)包設(shè)置的4種坐標(biāo)系統(tǒng)

默認(rèn)的坐標(biāo)系統(tǒng)采用 “右手坐標(biāo)系，Z軸向上”坐標(biāo)系統(tǒng)，同樣的，OSG的坐標(biāo)系統(tǒng)為 “右手坐標(biāo)系，Z軸向上”，所以Speedtree集成OSG時，不需要調(diào)整坐標(biāo)。

3.2.3 相機的同步

OSG場景的默認(rèn)相機與Speedtree軟件開發(fā)包（Speedtree SDK）提供的相機接口的同步是插件開發(fā)中的關(guān)鍵問題，為了實現(xiàn)Speedtree相機在每一幀渲染圖像中與OSG默認(rèn)相機同步更新，需要重寫osg：：Drawable：：Update－Callback類，將OSG默認(rèn)相機信息逐幀傳給Speedtree相機接口，包括相機視點、視點矩陣和投影矩陣參數(shù)，如圖6所示，從而實現(xiàn)二者相機的聯(lián)動。

3.2.4 Speedtree節(jié)點在OSG中的更新與裁剪

根據(jù)OSG的場景圖形渲染方式可知，Speedtree植物模型作為一個OSG場景節(jié)點，在OSG中的更新也同樣遵循OSG場景圖形更新機制。Speedtree節(jié)點的動態(tài)更新，揀選，排序和高效渲染，也在OSG場景圖形的更新遍歷、揀選遍歷及繪制遍歷中進行。場景的交互操作和動態(tài)風(fēng)效都會引發(fā)場景圖形的更新，Speedtree節(jié)點在OSG場景樹中參與的更新遍歷，更新遍歷的遍歷順序如圖7所示。Speedtree在OSG樹形結(jié)構(gòu)中也參加裁剪遍歷，裁剪遍歷和更新遍歷的遍歷順序相同，如圖7所示。OSG的裁剪遍歷也是伴隨著用戶交互事件和動態(tài)事件執(zhí)行的，裁剪遍歷將能被用戶看到的對象發(fā)送到圖形渲染列表中，等待繪制遍歷調(diào)用底層應(yīng)用程序接口實現(xiàn)幾何體的渲染。

3.2.5 Speedtree節(jié)點在OSG中的繪制算法

Speedtree節(jié)點不僅是OSG場景節(jié)點，同時具有特殊性。其特殊性體現(xiàn)在兩點：①Speedtree節(jié)點不只是一系列需要處理的頂點數(shù)據(jù)，它本身具有獨特的繪制流程；②Speedtree節(jié)點有單獨的攝像機系統(tǒng)。

如圖8示，OSG在渲染一幀時的Speedtree節(jié)點在OSG中繪制算法流程。OSG場景圖形在創(chuàng)建Speedtree節(jié)點時，自動調(diào)用繪制回調(diào)函數(shù)、更新回調(diào)函數(shù)和裁剪回調(diào)函數(shù)。經(jīng)過重寫的OSG場景圖形繪制回調(diào)函數(shù)是Speedtree與OSG三維渲染引擎的重要連接點，它包含了Speedtree模型繪制所需要的基本程序接口。更新回調(diào)函數(shù)負(fù)責(zé)更新場景相機視圖，裁剪回調(diào)函數(shù)負(fù)責(zé)森林裁剪。繪制、更新和裁剪回調(diào)函數(shù)共同完成了Speedtree節(jié)點在OSG場景圖形中的動態(tài)更新，實現(xiàn)了Speedtree植物模型在OSG三維渲染引擎中的實時繪制。

3.2.6 渲染結(jié)果

本文通過基于Speedtree渲染接口的方法實現(xiàn)了將Speedtree植物模型的成功導(dǎo)入，其渲染結(jié)果如圖9所示。

4 結(jié)束語

目前，研究工作已基于Speedtree渲染接口完成了Speedtree模型在OSG中的基本繪制，實現(xiàn)了Speedtree渲染特性基于OSG三維渲染引擎的引入，并且通過預(yù)留接口可以設(shè)置森林植物的分布。植物模型不僅渲染效率高，而且真實感強。此項研究工作的完成具有很大意義，Speedtree先進繪制技術(shù)的引入，不僅克服了傳統(tǒng)植物建模技術(shù)的瓶頸，提高植物模型的真實感，完善了北京林業(yè)大學(xué)信息學(xué)院景觀可視化框架，而且這項研究工作是林業(yè)可視化工作又一進展，推動了 “數(shù)字林業(yè)”構(gòu)想的實現(xiàn)進程。

［1］HUAI Yongjian，YU Peng，HUANG Youliang，et al.Realtime rendering of large－scale forest scene based on OSG and GPU ［J］.Journal of Beijing Forestry University，2009，31（6）：67－71（in Chinese）.［淮永建，于鵬，黃友良，等.基于OSG數(shù)字林分景觀可視化技術(shù)研究 ［J］.北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報，2009，31（6）：67－71.］

［2］YU Peng.The key technology research of stand tree visualization ［D］.Beijing：Beijing Forestry University，2010：25－42（in Chinese）.［于鵬.林分樹木可視化關(guān)鍵技術(shù)研究 ［D］.北京：北京林業(yè)大學(xué)，2010：25－42.］

［3］LUO Dai，XIE Maojin，CAO Weiqun，et al.A terrain visualization algorithm based on GPU programming ［J］.Journal of Image and Graphics，2008，12（11）：2244－2248（in Chinese）.［羅岱，謝茂金，曹衛(wèi)群，黃心淵.基于GPU編程的地形可視化 ［J］.中國圖像圖形學(xué)報，2008，12（11）：2244－2248.］

［4］HUANG Youliang，HUAI Yongjian，YU Peng，et al.Design and implementation of forest visualization system based on OpenSceneGraph［J］.Journal of System Simulation，2008，20（Suppl）：352－358（in Chinese）.［黃友良，淮永建，于鵬，艾毅.基于OSG林地可視化系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) ［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報，2008，20（增刊）：352－358.］

［5］HUANG Youliang.Study and implement of forest landscape visualization based on OpenSceneGraph ［D］.Beijing：Beijing Forestry University，2009：31－38（in Chinese）.［黃友良.基于OSG的林分場景可視化研究與實現(xiàn) ［D］.北京：北京林業(yè)大學(xué)，2009：31－38.］

［6］LUO Dai.Forest landscape structure and growth real－time simulation［D］.Beijing：Beijing Forestry University，2010：33－58（in Chinese）.［羅岱.森林景觀結(jié)構(gòu)與生長實時仿真 ［D］.北京：北京林業(yè)大學(xué)，2010：33－58.］

［7］IDV.Speedtree SDK 5.2help system ［EB/OL］.［2010－10－01］.http：//www.speedtree.com.

［8］Martz P.OpenSceneGraph quick start quide ［EB/OL］.［2011－09－29］.http：//www.openscenegraph.org/osgwiki/pmwiki.php/Documentation/QuickStartGuide.

［9］ WANG Rui，QIAN Xuelei.Design and implementation of OpenSceneGraph ［M］.Beijing：Tsinghua University Press，2009：297－318（in Chinese）. ［王銳，錢學(xué)雷.OpenScene－Graph三維渲染引擎設(shè)計與實踐 ［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2009：297－318.］

［10］XIAO Peng，LIU Gengdai，XU Mingliang.Guide of Open－SceneGraph programming guide ［M］.Beijing：Tsinghua University Press，2010：227－235（in Chinese）.［肖鵬，劉更代，徐明亮.OpenSceneGraph三維渲染引擎編程指南 ［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2010：227－235.］

［11］WANG Rui.The longest frame ［EB/OL］. ［2011－09－04］.http：//wenku.baidu.com/view/d90c0f6c58fafab069dc0211.html（in Chinese）.［王銳.最長的一幀 ［EB/OL］.［2011－09－04］.http：//wenku.baidu.com/view/d90c0f6c58fafab069dc0211.html.