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树木的三维模型

主角图片由Derek Rowe / NatureXR提供

在卡罗来纳的Sandhills,早上11点你就会被炙热的太阳晒伤。但这一天在树林里是愉快的,松散的树冠轻轻地遮蔽着森林地面。带着防晒霜、360个摄像头和三明治,这群人从达勒姆以南开了大约一个小时的车来到南松镇(Southern Pines)的一片森林。

濒临灭绝的物种生物学家朱莉摩尔正是在哪里找到她最喜欢的树:Longleaf Pine。她的目标是为电影摄影师和游戏玩家提供树的标志性的代表。他们想为MetaVerse创建一个数字版本:所有虚拟世界的集合 - 包括互联网,共享虚拟空间(如视频游戏中的)和概念虚拟世界,就像为电影创建的那样准备好球员一

长叶松

濒危物种生物学家朱莉·摩尔(Julie Moore)指出了森林中长叶松的特征。信用:Derek Rowe / Naturexr

该小组是第一个建立科学精确的虚拟树。他们正在创建3D模型,在每个生命阶段,它们的外观和行为都与真实的树木相似。这些“经过认证的科学”树是同类中的首创,将虚拟现实的真实性提升到了一个新的水平。

这不是“只是一个松树”

沙丘地区以干燥的沙土、金线草和长叶松而闻名。长叶植物曾经覆盖了一半以上的沿海平原,从德克萨斯东部到弗吉尼亚东南部。如今,只有1%的地区还生长着长叶松。

摩尔表示,该团队的第一次尝试创造数字长叶“并不是太好,就像”现实“走了。”

“它看起来不像长叶。这就是问题所在。它看起来就像“一棵松树”。除非你见过它,闻过它,听过它,接近它,否则很难找到它的本质。它是一个系统的树状结构。这不是一棵单独的树,”摩尔说。

该团队最初在杜克森林种植了一棵树作为灵感来源。但要了解一棵长叶松,要真正了解它,你必须了解整个森林。

5、要知长叶松,才能知长叶松真的知道了它,你就得了解整个森林。

当他们徒步进入森林时,一声响亮的呼啸声响彻树梢。这是一个独特的声音这森林,由于长叶松树的针长。他们检查了80英尺高、几百年树龄的大树,以及不到一年的两英寸幼苗。

摩尔不停地谈着——谈草、树皮、针叶,还有那些在地上开花的东西。

观察这只狗的叫声,“它就像一张叠在一起的纸,”电影制作人德里克·罗说。

“当你站在后备箱时,你真的可以看到弹出东西,”3D艺术家塞缪尔米饭回复。“我想抓住这一点。”

对于Rice来说,树木和自然一直是3D场景中的“背景元素”。他们不需要太多细节。但是通过这个3D建模项目,Rice最终可以将纹理注入模型树中。

“从一个教育角度来看,从科学角度来看,他们需要看它在现实生活中所做的方式。你需要这些细节在那里。”

Derek Rowe.

在北卡罗来纳州教堂山的金银花茶馆喝茶时产生了建立长叶松3D模型的想法。这家茶馆由一个名为“独特拯救之地”(Unique Places to Save)的非营利组织经营。他们进行战略投资来帮助保护自然空间。例如,茶馆的运营有助于保护周围的自然空间不受开发。

创始人杰夫·费希尔告诉罗伊,如果虚拟世界像电子游戏一样准确,它可以成为重新发现自然的大门。VR自然可以让那些因身体残疾、距离或恐惧等原因无法接触到野生空间的人进入。

罗非常理解这种情绪。2015年,他推出了新产品WildEyes将国家公园电影为vr,所以城市的孩子们可以体验到他们。Fisher和Rowe把头放在一起,大使一支多元化的团队naturexr.出生于。他们的目标是利用VR世界帮助科学家,决策者和其他利益相关者筹款和模拟自然,以一种新的保护:虚拟保护。

长叶松森林

在长叶松树林中徒步旅行期间的自然队。信用:Derek Rowe / Naturexr

Rowe说现有的3D树模型不够好。“它们太低了。你走到他们(在虚拟世界中),它们是如此像素化。在电子游戏中,人们大多不在乎,”Rowe说。“从一个教育角度来看,从科学角度来看,他们需要看它在现实生活中所做的方式。你需要这些细节在那里。”

针,针

虚拟现实世界模仿的是真实世界,它的好坏取决于你放入其中的物体。这些物品中有很多来自Quixel的巨型图书馆是世界上最大的3D资产图书馆。Eric Ramberg,首席内容官员写了完整树是“最受欢迎的资产类型”。

但是,在数字市场上却完全没有能够准确描绘现实生活中的树形化身。团队很快就意识到其中的原因:真实的树角色并不存在,因为用普通方法创建它们太困难了。

团队首先考虑使用摄影测量,一种制作VR模型的标准方法。通过拍摄一个物体的重叠照片,然后用电脑程序把它们拼在一起,他们可以制作建筑物、家具或其他物体的3D模型。

树枝有一个持续的温和运动,这使模型看起来模糊摄影测量。每一根树枝都会挡住另一根树枝,这样就不可能拍摄到树的每一个部分。

生物学家邓肯·伊斯谢克说,对于游戏行业的3D建模,不需要科学准确性,并不是太难。但要准确地建模树是“令人难以置信的挑战”。

数字生活计划

数字生活项目创建了真实动物的3D模型,比如这只青蛙。资料来源:克里斯汀·谢泼德和数字生活项目

伊尔希克是数字生活计划该项目由马萨诸塞大学阿默斯特分校的研究人员发起。2017年,他们开始构建科学精确的动物3D模型,作为一种数字诺亚方舟。这个想法是在动物灭绝之前保护它们,这样研究人员就可以继续研究它们——一个虚拟的动物版本。他们已经创建了从濒危海龟到嘶嘶蟑螂等动物的3D模型,但还没有创造出一棵树。

埃尔希克说:“我有点怀疑他们能否轻松做到这一点,因为这意味着他们必须渲染每一根松针或树叶。”“数字生活项目”在他们的3D模型中嵌入了动物如何移动或行为的元数据。“如果他们的目标是科学上的准确性,而这正是我们对动物所做的,那么这将非常非常耗时。我认为这将非常困难。”

Rowe将NatureXR的工作描述为构建一个“程序树”。许多从照片中重建的3D模型与现实生活中的物体完全相同。罗说,对于一棵树来说,这是不够的。想象一下,创建一个有几十棵相同树木的森林——这几乎不是一个充满活力的森林的现实愿景。

树木的三维模型

长叶松树的3d渲染。信用:Derek Rowe / Naturexr

相反,NatureXR的“程序”树更像是公式对于一个树。他们正在把树枝或针叶的照片导入植被建模软件SpeedTree。该软件允许它们输入一些参数,比如交替或相反的分支模式,或者每个生命阶段中出现的球果数量。然后,该软件生成一片由树木组成的森林——独一无二,但精确无误的每一片树叶,每一根针。电影《阿凡达》中令人惊叹的虚构森林就是用SpeedTree制作的。

简单的3D对象具有使它们出现“真实”的特征。例如,篮球的3D渲染有一个现实的反弹,闪耀和阴影。NatureXR需要同样的现实主义等等,使研究人员能够提前建模保护技术的影响,观看过去和未来的森林,并说服政策制定者灌输战略保护。

“我认为创建地球上生命的精确3D模型真的很重要。我们发现这对遗产很重要,因为树木就像其他动物一样会被逼到灭绝,”埃尔希克说。他的3D动物模型是开放的,任何人都可以使用。

激光乐队扫描

激光雷达扫描提供了关于生态系统景观的数据。信用:Derek Rowe / Naturexr

NatureXR正在森林上空飞行一架带有激光雷达扫描仪的无人机,以捕捉关于树木生态系统的重要信息。扫描仪将生态系统映射出来,为3D模型创建元数据,帮助程序员在模拟真实世界的景观中放置树木。它是树和生态系统的综合体,森林树木。

虚拟现实,一种保护工具

技术的改进正在提示研究人员使用VR来帮助利益相关者了解我们对自然界的影响。科学家拥有建模的保护影响,评估了像濒危物种一样的遥感物种捷豹秘鲁亚马逊流域,或者可视化的未来生态系统,比如珊瑚礁

科学精确的3D建模为研究提供了新的机会,因为科学家可以无止境地操纵虚拟世界,而不会产生任何后果。他们可以创建未来的生态系统,然后消灭濒危物种,灌输保护努力,并检查结果——所有这些都在一个虚拟的世界里。它就像一个保护电子游戏,结果可以用来理解生态系统。

在斯坦福大学的虚拟人类互动实验室(VHIL),研究人员研究虚拟现实对学习、行为和保护的影响。一个研究发现,虚拟世界内的运动和相互作用增加了观众的知识保留。其他研究在森林砍伐和树木保护方面,VR与纸质媒体相比。他们发现,体验虚拟现实媒体的参与者比阅读打印的树木砍伐描述的参与者少消耗20%的纸张。换句话说:VR比阅读事实和数据更有效。

VHIL的认知心理学家安娜·卡罗莱纳·穆勒·奎罗兹(Anna Carolina Muller Queiroz)表示,虚拟现实的关键要素是“你的大脑将虚拟世界理解为真实,并做出相应的反应。”

Géraldine Fauville是VHIL教育领域的博士后研究员,他补充道:“让人们理解虚拟现实能做什么最简单的方法就是把他们放在虚拟现实中。”她描述了一个简单的“平板支撑体验”,这是他们经常给参观实验室的人提供的体验。参与者戴上虚拟现实头盔,就会被传送到同一个房间的虚拟代表中——但有一点不同:地板会在他们下面塌陷。现在他们站在一块小木板上,被要求走过去。他们心跳加速,手心冒汗,而且,尽管知道他们和同事在一个安全的环境中,大多数人甚至不能迈出第一步。

福维尔说:“我认为这就是为什么拥有虚拟现实体验很重要,比如看到那些看起来很真实的树,因为即使你很清楚自己身处虚拟世界的某个地方,你的身体也会将其视为真实体验。”“就我个人而言,我喜欢在我从未经历过的森林里自由漫步。我认为这个想法很棒。”

“数字双胞胎”是与现实世界行为相似的真实模拟。他们可以让科学家进行他们无法进行的研究。例如,测试自治汽车可能会让研究人员处于危险之中,但使用VR时就不会了。

只有当3D模型的外观和行为与现实世界的模型完全相同时,数字孪生模型才能有效地保护环境。数字生命项目正在使用软件和机器学习来重建他们所建模动物的运动,并在其中嵌入元数据——比如物种在哪里被发现,或者动物的性别和年龄等信息。

“元数据意义重大。因为如果没有这些元数据,科学家就无法真正使用(3D模型)。”

“你需要树成为现实生活中的方式。否则,它是无用的,”添加Rowe。“也许我们无法弄清楚如何成为这个星球上更可持续的合作物种的原因之一是因为我们无法想象它。如果我们能想象在VR中的样子,请看看,”是像素的像素是现实世界,我们已经证明,如果我们这样做的保护,我们将是可持续的。“我们会从政策制定者中获得牵引力吗?“

了解VR森林,就是了解真实的森林

回到森林里,摩尔解释说,Longleaf松树生态系统在受控烧伤中茁壮成长,这清楚了新树木的灌苗。周围的树木是裸露的下半场,在顶部分支 - 一个标志,森林最近被烧毁,修剪树木并清除新幼苗的方式。摩尔解释说,当东部的人们停止管理森林的控制燃烧时,整个系统都遭受了。

"One of our great needs is having foresters who understand longleaf and how that forest can be managed. To actually do that, through this (VR) tool -- to say, ‘Let's put a fire here and see what happens.’ I can really see it helping tremendously,” says Moore. “I could see it being used to help people understand how to manage longleaf. And that is one of our great lacks right now."

“我可以预见(VR)将被用来帮助人们理解如何管理长叶。这是我们目前最大的不足之一。”

朱莉·摩尔

在六小时的步行结束时,赖斯在离开森林之前抓了一个松果。

他说:“我想为它做一个模型,确保我了解它是如何在物理上开放的。”他补充说,这个项目激发了他更多地关注自然。

在家里,他看着松果在干燥的空气中张开,在一杯水里紧紧地合上——他想把这些微妙的特征嵌入到3D渲染中——这是长叶松绝不“只是一棵松树”的另一个迹象。

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