树木建模与实时渲染技术研究

摘要

随着计算机硬件和软件系统的飞速发展，特别是可编程图形卡及着色语言的功能日益完善和强大，对自然景观的实时渲染成为计算机图形学领域的一个研究热点。而种类繁多的树木是自然景观的重要组成部分，因此，对树木的建模表示与实时渲染也一直被众多的研究者所关注。 对树木形态结构的模拟在影视特效、计算机动画与仿真、视频游戏等领域有着广泛的应用前景。因此，研究快捷、有效的算法来模拟树木具有十分重要的意义。 本文以实现具有真实感的树木形态结构为主要目标，重点研究新的快速高效的树木建模与渲染方法。研究工作主要集中在以下三个方面： 第一，以L系统为基础，设计了一种树木的建模方法，用户只需输入一个随机参数，即可生成一个树木模型，交互简单，并设计了一种文件结构来存储树木模型。 第二，设计了一种能使树枝光滑连接的细分方法，将树木枝干细分成一系列三角形，保证了枝干系统的连续性，实现了树木枝干的快速渲染。 第三，改进了传统的替代物渲染技术，设计了一种面向GPU的叶簇渲染架构，实现了2.5维替代物渲染技术，并根据叶簇形态的不同，分别实现了阔叶树和针叶树的渲染。 最后，使用Visual C++和OpenGL设计了一个树木的生成器和一个树木的渲染器，实现了树木的建模与渲染，并用shadow map方法实现了树木阴影的渲染，能够产生树叶在树枝上的自阴影效果。程序的运行结果表明，本文所设计的算法是正确的，并取得了较高的渲染效率和良好的视觉效果。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1研究背景和意义

1.2国内外研究现状

1.2.1树木建模的研究现状

1.2.2树木渲染的研究现状

1.3本文主要工作

1.4本文内容安排

第二章基于L系统的树木建模方法

2.1树木的分枝模式

2.2 L系统基本理论

2.2.1确定性L系统及其文法描述

2.2.2随机L系统

2.3树木的L系统表达机制

第三章常用树木渲染方法

3.1基于几何的绘制

3.2基于图像的绘制

3.2.1布告板(Billboard)技术

3.2.2替代物(Impostor)技术

3.2.3 2.5维替代物技术

第四章树木建模与渲染的实现

4.1基于L-系统的树木生成算法描述

4.1.1树木生成过程

4.1.2树木模型文件的存储结构

4.2基于几何模型的枝干系统渲染方法

4.3基于2.5维替代物的叶簇渲染方法

4.3.1叶簇渲染的总体架构

4.3.2随机树叶的生成

4.3.3 2.5维替代物的生成

4.3.4叶簇的光照计算

4.3.5叶簇渲染过程中深度值的处理方法

第五章树木建模与渲染系统的设计与实现

5.1系统的开发与运行环境

5.2系统模块设计

5.3树木生成模块的实现

5.3.1模型的基本数据结构

5.3.2模型生成的算法描述

5.3.3树木生成器Tree Generator的运行结果

5.4树木渲染模块的实现

5.4.1基本数据结构

5.4.2场景绘制相关算法及流程

5.4.3树木渲染器Tree Viewer的运行结果

第六章总结与展望

6.1研究工作总结

6.2研究工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间的研究成果

附录 顶点和片断程序

致谢