Realistic reconstruction and rendering of detailed 3D scenarios from multiple data sources
Authors:   , Argudo Medrano Óscar 
Published: September 2023

During the last years, we have witnessed significant improvements in digital terrain modeling, mainly through photogrammetric techniques based on satellite and aerial photography, as well as laser scanning. These techniques allow the creation of Digital Elevation Models (DEM) and Digital Surface Models (DSM) that can be streamed over the network and explored through virtual globe applications like Google Earth or NASA WorldWind.
The resolution of these 3D scenes has improved noticeably in the last years, reaching in some urban areas resolutions up to 1m or less for DEM and buildings, and less than 10 cm per pixel in the associated aerial imagery. However, in rural, forest or mountainous areas, the typical resolution for elevation datasets ranges between 5 and 30 meters, and typical resolution of corresponding aerial photographs ranges between 25 cm to 1 m. This current level of detail is only sufficient for aerial points of view, but as the viewpoint approaches the surface the terrain loses its realistic appearance.

One approach to augment the detail on top of currently available datasets is adding synthetic details in a plausible manner, i.e. including elements that match the features perceived in the aerial view. By combining the real dataset with the instancing of models on the terrain and other procedural detail techniques, the effective resolution can potentially become arbitrary. There are several applications that do not need an exact reproduction of the real elements but would greatly benefit from plausibly enhanced terrain models: videogames and entertainment applications, visual impact assessment (e.g. how a new ski resort would look), virtual tourism, simulations, etc.
In this thesis we propose new methods and tools to help the reconstruction and synthesis of high-resolution terrain scenes from currently available data sources, in order to achieve realistically looking ground-level views. In particular, we decided to focus on rural scenarios, mountains and forest areas.
Our main goal is the combination of plausible synthetic elements and procedural detail with publicly available real data to create detailed 3D scenes from existing locations. Our research has focused on the following contributions:
- An efficient pipeline for aerial imagery segmentation
- Plausible terrain enhancement from high-resolution examples
- Super-resolution of DEM by transferring details from the aerial photograph
- Synthesis of arbitrary tree picture variations from a reduced set of photographs
- Reconstruction of 3D tree models from a single image
- A compact and efficient tree representation for real-time rendering of forest landscapes

Durant els darrers anys, hem presenciat avenços significatius en el modelat digital de terrenys, principalment gràcies a tècniques fotogramètriques, basades en fotografia aèria o satèl·lit, i a escàners làser. Aquestes tècniques permeten crear Models Digitals d'Elevacions (DEM) i Models Digitals de Superfícies (DSM) que es poden retransmetre per la xarxa i ser explorats mitjançant aplicacions de globus virtuals com ara Google Earth o NASA WorldWind. La resolució d'aquestes escenes 3D ha millorat considerablement durant els darrers anys, arribant a algunes àrees urbanes a resolucions d'un metre o menys per al DEM i edificis, i fins a menys de 10 cm per píxel a les fotografies aèries associades. No obstant, en entorns rurals, boscos i zones muntanyoses, la resolució típica per a dades d'elevació es troba entre 5 i 30 metres, i per a les corresponents fotografies aèries varia entre 25 cm i 1m. Aquest nivell de detall només és suficient per a punts de vista aeris, però a mesura que ens apropem a la superfície el terreny perd tot el realisme. Una manera d'augmentar el detall dels conjunts de dades actuals és afegint a l'escena detalls sintètics de manera plausible, és a dir, incloure elements que encaixin amb les característiques que es perceben a la vista aèria. Així, combinant les dades reals amb instàncies de models sobre el terreny i altres tècniques de detall procedural, la resolució efectiva del model pot arribar a ser arbitrària. Hi ha diverses aplicacions per a les quals no cal una reproducció exacta dels elements reals, però que es beneficiarien de models de terreny augmentats de manera plausible: videojocs i aplicacions d'entreteniment, avaluació de l'impacte visual (per exemple, com es veuria una nova estació d'esquí), turisme virtual, simulacions, etc. En aquesta tesi, proposem nous mètodes i eines per ajudar a la reconstrucció i síntesi de terrenys en alta resolució partint de conjunts de dades disponibles públicament, per tal d'aconseguir vistes a nivell de terra realistes. En particular, hem decidit centrar-nos en escenes rurals, muntanyes i àrees boscoses. El nostre principal objectiu és la combinació d'elements sintètics plausibles i detall procedural amb dades reals disponibles públicament per tal de generar escenes 3D d'ubicacions existents. La nostra recerca s'ha centrat en les següents contribucions: - Un pipeline eficient per a segmentació d'imatges aèries - Millora plausible de models de terreny a partir d'exemples d’alta resolució - Super-resolució de models d'elevacions transferint-hi detalls de la fotografia aèria - Síntesis d'un nombre arbitrari de variacions d’imatges d’arbres a partir d'un conjunt reduït de fotografies - Reconstrucció de models 3D d'arbres a partir d'una única fotografia - Una representació compacta i eficient d'arbres per a navegació en temps real d'escenes