基于物理的植物与雨滴交互过程的模拟和可视化绘制

摘要

近年来，以自然景物为对象的计算机仿真和实时渲染，已成为计算机图形学领域内颇具挑战性的问题之一。逼真地模拟植物与外界环境的交互过程，对于植物生长与发育规律的研究、景观设计、环境预测和可视化、游戏和虚拟场景的绘制等，具有重要的指导意义和现实价值。目前，植物与外界环境的交互研究主要侧重于风与植物的可视化模拟，而有关植物与雨交互过程的模拟及可视化仿真的研究还比较薄弱。 本文利用计算机图形学技术，对植物与雨的交互过程进行可视化建模，主要工作如下: 1.提出一种雨滴飞溅算法来模拟在不同雨量下雨滴溅落地面的效果。首先基于粒子系统建立雨场模型。其次，考虑空气阻力和水平风力对雨滴运动的影响，基于物理学原理对雨滴的下落和飞溅过程进行受力分析。最后，基于统计学知识和随机分布函数，对雨滴在飞溅过程中的传播路径进行跟踪和绘制。 2.提出一种基于物理的植物与雨滴的交互算法来模拟植物与雨的交互过程。首先，根据雨滴动能的大小判断是否发生依附、飞溅、反弹、合并、滑落等现象。其次，考虑重力场对雨滴自身形变的影响，基于metaball方法对雨滴在叶片上的行为进行可视化模拟。随后基于弹性杆的受力模型对树枝进行建模。最后，提出一种基于参数化L系统的树枝弯曲算法，来模拟树枝在外力作用下的振动以及树枝在外力消失后的形变恢复。 3.植物与雨可视化交互系统的设计与实现。该系统在VS2005的开发环境下，采用C++、OpenGL渲染引擎与MFC框架，对植物与雨的交互过程进行可视化模拟。 本文对植物与雨的交互过程进行了初步研究，并提出相关算法和模型，开发了植物与雨的交互系统。本文的研究可以为可视化模拟植物与雨的交互过程提供新的思路，也能为研究农药喷雾雾滴和病害在植物冠层中的传播提供方法上的借鉴，因而具有重要的理论意义和应用价值。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 虚拟植物

1．2．2 雨与虚拟植物的交互

1．2．3 雾滴与虚拟植物的交互

1．2．4 雨场飞溅现象

1．2．5 流体的模拟

1．3 本文研究内容与论文框架

第2章 相关技术概述

2．1 L系统

2．2 3DS模型的读取

2．2．1 3DS文件结构

2．2．2 3DS文件的读取

第3章 雨场模型的建立

3．1 引言

3．2 雨场模型的建立

3．2．1 粒子系统

3．2．2 粒子的模拟

3．2．3 雨滴受力分析

3．3 飞溅算法

3．3．1 飞溅粒子属性的初始化及更新

3．3．2 雨滴路径跟踪算法

3．4 实验结果与分析

第4章 植物与雨场的交互模拟

4．1 引言

4．2 雨滴的模拟行为

4．2．1 Metaball技术

4．2．2 雨滴交互行为的模拟

4．2．3 雨滴的流动

4．2．4 雨滴的合并

4．3 雨滴作用下植物的形变模拟

4．3．1 树枝模型

4．3．2 树枝的振动与恢复

4．4 算法步骤

4．5 实验结果与分析

第5章 系统设计与实现

5．1 系统概述

5．2 系统设计

5．2．1 系统流程图

5．2．2 总体架构

5．3 系统实现

5．4 系统操作与效果图

5．4．1 系统主界面

5．4．2 系统主要功能

第6章 工作总结与展望

6．1 工作总结

6．2 工作展望

参考文献

致谢

攻读学位期间参加的科研项目和成果