[论文解读] Procedural Generation and Rendering of Realistic, Navigable Forest Environments: An Open-Source Tool

Callum Newlands, Klaus‐Peter Zauner|arXiv (Cornell University)|Aug 2, 2022

Remote Sensing and LiDAR Applications被引用 6

一句话总结

本文提出了一种开源的、实时的程序化森林生成工具，采用L-系统进行树木建模，并通过生态系统模拟实现自然的树木分布，使用延迟渲染、Blinn-Phong着色和后期处理效果渲染场景。该系统实现了高视觉真实感与可导航性，支持实时交互或高质量异步渲染，适用于机器人视觉训练等应用。

ABSTRACT

Simulation of forest environments has applications from entertainment and art creation to commercial and scientific modelling. Due to the unique features and lighting in forests, a forest-specific simulator is desirable, however many current forest simulators are proprietary or highly tailored to a particular application. Here we review several areas of procedural generation and rendering specific to forest generation, and utilise this to create a generalised, open-source tool for generating and rendering interactive, realistic forest scenes. The system uses specialised L-systems to generate trees which are distributed using an ecosystem simulation algorithm. The resulting scene is rendered using a deferred rendering pipeline, a Blinn-Phong lighting model with real-time leaf transparency and post-processing lighting effects. The result is a system that achieves a balance between high natural realism and visual appeal, suitable for tasks including training computer vision algorithms for autonomous robots and visual media generation.

研究动机与目标

• 开发一种通用的、开源的系统，用于生成和渲染逼真且可导航的森林环境。
• 在视觉真实感与计算效率之间取得平衡，以支持实时交互与高保真异步渲染。
• 通过逼真的合成场景，支持计算机视觉系统在自主森林导航中的训练。
• 通过可配置的参数支持多种森林类型，包括树种、地形与光照设置。
• 为模拟、机器人与视觉计算领域的研究人员和开发者提供灵活且可扩展的框架。

提出的方法

• 使用随机、参数化且上下文敏感的L-系统，结合海龟解释法生成三维几何结构，实现树木的程序化生成。
• 通过生态系统模拟控制树木在地形上的分布，模型化物种聚集、资源竞争与空间约束。
• 使用延迟渲染管线进行场景渲染，结合Blinn-Phong着色与专门设计的叶片半透明模型。
• 后期处理效果包括阴影映射、环境光遮蔽、体积光照与HDR色调映射，以增强真实感。
• 通过细节层次（LOD）技术，在不同距离下保持视觉保真度，通过简化几何结构同时维持光照与覆盖效果。
• 系统支持通过可配置的质量设置实现实时导航与非实时的高质量渲染。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何有效结合程序化L-系统与生态模拟，以生成外观自然的森林分布？
• RQ2 何种渲染管线与着色模型可在保持实时性能的同时实现高视觉真实感，以支持交互式导航？
• RQ3 单一可配置系统在最小用户输入下，能在多大程度上生成多样且可信的森林场景？
• RQ4 渲染质量与帧率之间的权衡如何影响实时与批处理渲染模式下的可用性？
• RQ5 此类系统能否作为计算机视觉算法在自主森林导航中训练的可行环境？

主要发现

• 在高端笔记本电脑上，该系统在小型场景中实现高达15.5 FPS（64.3 ms/帧）的实时帧率，大型场景中性能下降至3.24 FPS（308 ms/帧）。
• 几何处理阶段占总渲染时间的94.8%，表明顶点数量是主要性能瓶颈。
• 低质量渲染的平均帧时间为62.70 ms（15.9 FPS），高质量渲染平均为214.85 ms（4.66 FPS），性能损失约为三倍。
• 生态系统模拟成功生成了自然特征，如物种聚集与资源竞争，防止树木相交，并实现逼真的空间分布。
• LOD系统在高多边形与低多边形表示之间保持了视觉一致性，各细节层级的光照与覆盖行为相似。
• 该工具已成功应用于训练自主火星车的计算机视觉系统，证明其在机器人研究中的实际应用价值。