基于L系统的三维树模拟系统的设计与实现

摘要

树木是自然场景的重要组成部分,其模拟算法的研究一直都是个热点问题。树的外部形态是其自身生理规律和环境因素相互作用的结果,要模拟出形态逼真的树,不仅要对其形态进行精确的建模和绘制,还要考虑环境因素对树行为特性的影响。运用计算机图形学和虚拟现实的技术和方法来定量化、可视化地描述树的形态,并开发出相应的软件和交互平台,通过视觉体验和人机交互的方式来模拟出更逼真的三维树,具有重要的现实意义和广阔的应用前景。
　　近些年来,三维树的模拟取得了很多显著的成果。但由于树木的形态复杂且种类繁多,其造型、存储及绘制都有相当的难度。现有模拟方法缺乏普适性、交互性,不能满足树木形态千变万化的需求,真实感有待加强;再者,这些方法没有很好地将树木的地上部分和地下部分很好地结合起来。
　　L系统是模拟植物的经典方法,论文着重介绍了L系统的基本算法。通过对已有的树木模拟算法进行研究和分析,探讨出一种基于三维分枝模型的改进算法。该算法首先将树木的结构分为四个层次:树叶、叶序、树干、树根,利用树木的自相似原理建立树木的层次模型;然后将重力对树木形态的影响加入模型中,根据材料力学原理,将每根树枝分成多个小片段,并将每一段树枝看作悬臂梁,实现了弯曲树枝的模拟。论文运用随机参数L系统进行树的建模,解决了算法的普适性和树木形态的多样性问题。为了使三维树模拟系统具有更大的灵活性,算法将影响树形态的相关属性提取成相应参数,用户使用该系统时,只需要输入相应参数就可以随意修改并模拟树的形态,实现了可根据用户需求随意控制树形态的功能。由于用传统的L系统生成树图形时,编程繁琐、执行效率低、交互性差,故论文采用JAVA结合基于虚拟现实建模语言(X3D)作为编程语言来实现交互式L系统算法,另一方面,为了方便用户以及更好地分享该系统,论文采用Struts2框架实现了该系统的界面部分,并给出了常见树形态的参数默认值。
　　模拟结果表明,采用上述改进算法建立的树木模型,能将树的地上部分与地下部分有机地结合起来,能较好地表现树木的空间特性、趋光性和屈地性,树木形态具有较高的真实感。系统可满足树木多姿多态的需求,使用户可以与该系统进行很友好的交互。

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第1章 绪论

1.1 虚拟植物模拟的研究背景

1.2 虚拟植物的研究意义

1.3 植物模拟的国内外研究现状1.3.1理论和方法

1.4 论文研究内容

1.5 论文框架

第2章 L系统理论

2.1 L系统概述

2.2 L系统分类

2.3 几种拓展的L系统

2.4 本章小结

第3章 基于L系统的三维树的建模

3.1 树木形态结构

3.2 分枝结构建模

3.3 叶序的建模

3.4 树叶的建模

3.5 树根的建模

3.6 基于重力场的弯曲树枝的建模

3.7 本章小结

第4章 三维树模拟系统的设计与实现

4.1 系统开发与相关技术介绍

4.2 系统的总体结构设计

4.3 功能模块设计与实现

4.4 人机交互界面设计与实现

4.5 仿真效果图

4.6 本章小结

第5章 结论与展望

5.1 全文总结

5.2 进一步研究方向

参考文献

致谢

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