基于L系统的三维树模拟系统的设计与实现

论文摘要

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。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 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
• 1.3.2 软件与实现
• 1.3.3 存在的问题
• 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
• 2.1.1 L 系统的基本原理
• 2.1.2 L 系统的数学模型
• 2.1.3 L 系统的三维拓展
• 2.2 L 系统分类
• 2.2.1 单一规则的L 系统
• 2.2.2 多规则的L 系统
• 2.3 几种拓展的L 系统
• 2.3.1 随机L 系统
• 2.3.2 参数L 系统
• 2.3.3 上下文相关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
• 3.1.1 植物学基本概念
• 3.1.2 分枝结构
• 3.1.3 叶序结构
• 3.1.4 树叶
• 3.2 分枝结构建模
• 3.2.1 枝段的模拟
• 3.2.2 分枝结构的数学模型
• 3.2.3 模拟算法的LS 文法
• 3.2.4 算法的进一步改进
• 3.2.5 分枝结构的模拟算法
• 3.3 叶序的建模
• 3.3.1 叶序建模LS 文法
• 3.3.2 叶序的建模算法
• 3.4 树叶的建模
• 3.4.1 建模的LS 文法
• 3.4.2 树叶的模拟算法
• 3.5 树根的建模
• 3.5.1 建模的LS 文法
• 3.5.2 树根的模拟算法
• 3.6 基于重力场的弯曲树枝的建模
• 3.6.1 建模的LS 文法
• 3.6.2 弯曲树枝的模拟算法
• 3.6.3 重力场的模拟
• 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
• 4.1.1 X3D 技术概述
• 4.1.2 Struts2 框架概述
• 4.2 系统的总体结构设计
• 4.3 功能模块设计与实现
• 4.3.1 功能模块的设计
• 4.3.2 功能模块的实现
• 4.4 人机交互界面设计与实现
• 4.4.1 界面的设计
• 4.4.2 界面的实现
• 4.5 仿真效果图
• 4.5.1 树叶
• 4.5.2 叶序
• 4.5.3 树总体效果
• 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
• 发表论文情况