虚拟现实系统中自然植物模拟的研究与实现

摘要

传统的欧氏几何主要用来描述规则图形和光滑曲线的，而面对以不规则形状为主的自然植物欧氏几何就显得无能为力了，分形几何则可以描述自然界中的不光滑和不规则的几何形体，也是近二、三十年发展起来的一门新学科。
　　 自然植物形态千差万别，但是从整体上来说大多具有自我相似、自我繁殖的分形特征，因此分形理论成为了自然植物模拟的主要描述语言和重要理论基础。近年来，随着分形理论不断的完善与发展，利用分形来实现对各种植物的模拟也成为了计算机仿真领域的重要课题，在分形的基础上发展出来的L-系统，为植物的造型及描绘又提供了新的途径，成为了植物模拟的主要方法。
　　 使用L-系统对植物进行模拟，其关键之处在于L-系统中的产生式的规则设计，自然界中的植物形态千差万别，在L-系统中主要体现为产生式规则的不同，传统L-系统中的产生式规则设计以离散设计为主，并未对其设计方法进行过全面的分析和总结。
　　 本文为有效解决L-系统产生式规则设计中存在的这一问题，首先对一些主流L-系统的基本原理进行了分析，从L-系统单规则产生式入手，先使用单规则产生式对自然界中的植物的大体形态进行仿真模拟，进而将单规则产生式的基本模型进行了分类，文中提出将单规则产生式基本模型分为无明显茎植物的产生式模型有明显茎植物的产生式模型两大类，并且针对两种模型进行了仿真实验，然后再进一步对多规则产生式进行研究，将多规则产生式分为三大部分，基本式，连接式与子产生式。重点对基本式中生长控制，连接式主次元数量比以及子产生式模型三个方面进行了研究，同时还针对自然场景中各种自然条件对植物形态的影响进行了研究，并设计出了一系列相应的模型，最后使用VC++6.0编写程序进行了仿真实验。实验的结果表明运用这些新设计出来的模型有助于提高L-系统产生式设计的准确度。

目录

文摘

英文文摘

插图索引

第1章 绪论

1.1 课题背景

1.2 国内外研究现状

1.2.1 基于分形几何的建模方法

1.2.2 参考轴技术

1.2.3 基于素描的建模方法

1.2.4 基于图像造型法

1.2.5 其他植物建模方法以及应用软件的发展

1.3 本文的主要工作

第2章 分形基本理论

2.1 分形的出现

2.2 分形的现实意义

2.3 目前主流的分形方法

2.4 小结

第3章 L-系统的基本原理及实现

3.1 L-系统的基本理论

3.1.1 L-系统基本原理

3.1.2 L-系统的几何解释

3.2 目前主流的L-系统

3.2.1 随机L-系统

3.2.2 参数L-系统

3.2.3 语义相关L系统

3.2.4 微分L-系统

3.2.5 其它L-系统

3.3 小结

第4章 L-系统中产生式规则的设计

4.1 单规则L-系统算法设计

4.2 单规则L-系统产生式规则设计

4.2.1 无明显茎植物的产生式模型设计

4.2.2 有明显茎植物的产生式模型设计

4.3 多规则产生式L-系统算法设计

4.4 多规则L-系统产生式规则设计

4.5 小结

第5章 L-系统产生式规则模型研究

5.1 L-系统中基本式模型研究

5.1.1 L-系统中基本式算法分析

5.1.2 L-系统中基本式中生长控制研究

5.2 L-系统中连接式主次元数量比研究

5.3 L-系统中子产生式模型研究

5.4 树木在自然场景中的形态模拟

5.4.1 植物粗细处理

5.4.2 外部环境对植物生长的影响

5.4.3 自然场景中的多植物融合

5.4.4 IFS算法与L-系统相融合

5.5 小结

结论

参考文献

致谢

附录A攻读学位期间所发表的学术论文