基于三维分枝模型的树木模拟算法研究及其实现

摘要

虚拟自然场景一直是图形学研究领域中一个富有挑战性的课题。树木是自然场景的重要组成部分，其模拟算法的研究得到了广泛的重视。树木的形态复杂且种类繁多，其造型、存储及绘制都存在相当的难度。 根据应用目的不同，树木生长模拟技术可分为两大类：以农林业应用为目的和以非农林业应用为目的的模型。两者在建模原理和仿真结果的真实性要求上有着很大差别。前者遵循树木的生态生理原理；后者追求基于视觉效果的真实性。 论文的研究属于第二类。在对已有的树木模拟算法进行分析和研究的基础上，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三个层次：树干树枝和树叶，利用树木的自相似原理，建立树木的层次模型；然后将光照和重力对树木形态的影响加入模型中，通过设置受光照和重力影响树枝偏转的角度，实现树木的趋光与屈地的特性；算法再利用随机繁衍L系统的分枝算法，通过设置分枝产生式以控制树木的分枝。为了体现树木的顶端优势，加入了侧枝控制参数；最后，在模型绘制时，利用LOD原理，按照树木到观察者距离的不同，设置相应的模型复杂度，提高了树木的绘制效率。 论文实现了基于上述算法的原型系统。实验结果表明，采用以上改进算法建立的树木模型，能较好地反映树木的空间特性，并且可以体现出树木的趋光性、屈地性及顶端优势等特征，具有较高的真实感。

目录

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第1章绪论

1.1植物建模技术的出现

1.2植物建模技术的研究意义及其应用领域

1.3研究内容

1.4主要工作

1.5论文结构

第2章相关研究综述

2.1国内外的研究现状

2.1.1作物生长模拟模型

2.1.2树木生长模拟模型

2.2国内外主要研究成果

2.2.1纯图形学模型研究成果

2.2.2植物动态模拟的研究成果

2.2.3植物静态模拟的研究成果

2.3算法的理论基础

2.3.1 L系统

2.3.2三维分枝模型

第3章基于三维分枝模型的改进算法

3.1引言

3.2算法改进的思路

3.3模型的构造

3.3.1枝段模型

3.3.2分枝规则

3.4模型的绘制

3.4.1 LOD技术

3.4.2基于视点多复杂度模型绘制

3.5算法评价

第4章演示系统的构建与分析

4.1引言

4.2系统的构成框架

4.3模块的设计

4.3.1模型选择模块

4.3.2分枝模块

4.3.3枝段模块

4.3.4树木纹理光照和投影模块

4.3.5环境模块

4.4数据结构的设计

4.5演示系统的界面和使用

4.6小结

第5章实验结果及其分析

5.1随机繁衍L系统模拟结果及其分析

5.2.改进算法的模拟结果及其分析

5.3 小结

结 论

参考文献

致 谢

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