复杂森林场景的实时绘制技术研究

论文摘要

以森林景观为主的三维场景的建模与可视化是林业科学研究中的一个热点，它为林业信息化提供了新的技术手段，对推动数字林业的发展具有重要作用。然而森林景观的可视化推广应用一直受困于森林场景的实时绘制。因为森林本身是一个复杂的系统，其植物种类繁多、形态特征各异；森林场景内容丰富，包含天空、陆地、水面以及固定在陆地上的各种景观。因此，复杂森林场景的实时绘制又是一项具有挑战性的课题。本文以森林中树木、草本植物、水体、常见环境要素等实体为研究对象，开展各实体的三维建模和场景的实时绘制技术研究。场景绘制考虑满足实时性的前提下兼顾场景真实感。论文主要研究工作和成果如下：(1)树木的形态结构建模。从树木构筑学出发，根据树木的形态结构特征，提出树木模型的参数化建模。对树木枝干采用参数化的广义圆柱体进行表达，叶、花、果等器官采用Billboard建模技术或曲面建模形成的真三维模型。为适应复杂森林场景实时绘制的需要，提出基于枝干层次隶属关系的树木的LOD模型简化方法。(2)大规模树木加速绘制。针对场景中树木数量众多、树木模型本身复杂，难以实时绘制的问题，提出多项复杂场景加速绘制优化策略，如视依赖层次细节简化技术减少绘制的总面片数；采用模板实例化技术减少内存开销；通过统一的渲染状态管理减少纹理切换的开销。(3)林下草本植物的实时绘制。采用Billboard绘制技术建立草单元模型，基于硬件实例化技术实现林下大量草本植物的绘制，提高绘制速度，采用GPU硬件加速技术模拟风力作用下的草本动画效果，增强场景的真实感。(4)真实感水面绘制。作为森林场景的主要自然环境要素，逼真水面的渲染显著提高了场景真实感。本文基于柏林噪声、顶点移位方法和硬件加速技术，实现了水面网格构建、水面的波动效果和光学效果。(5)常见环境要素模拟。雨、雪、雾是自然界常见的环境要素，本文采用粒子系统模拟雨和雪，颜色融合方法模拟雾效果，进一步增强了森林场景的多样性和真实感。(6)森林可视化原型系统开发。设计并实现了森林可视化原型系统，开展森林环境模拟应用，并检验了文中提出的一系列关键技术的有效性和适用性。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 森林景观可视化研究概况
• 1.2.2 植物建模研究概况
• 1.2.3 复杂自然场景的实时绘制技术研究现状
• 1.3 研究目标与内容
• 1.3.1 研究目标
• 1.3.2 研究内容
• 1.4 研究技术路线
• 1.5 论文章节安排
• 第二章 森林场景的实时绘制相关技术原理
• 2.1 层次细节 LOD 技术
• 2.2 场景裁剪技术
• 2.3 基于图像的绘制技术
• 2.4 基于 GPU 的绘制技术
• 2.5 场景管理技术
• 2.6 本章小结
• 第三章 复杂森林场景建模与绘制
• 3.1 树木的形态结构建模
• 3.1.1 树木形态结构描述
• 3.1.2 树木参数化建模
• 3.1.3 树木的层次细节模型
• 3.2 多层垂直结构的森林场景中的树木实时绘制
• 3.2.1 树木的分布模型
• 3.2.2 大范围树木绘制策略
• 3.3 林下草本植物的实时绘制
• 3.3.1 硬件实例化基本原理
• 3.3.2 草本植物几何体建立
• 3.3.3 实例化草
• 3.3.4 草本植物风动的动画模拟
• 3.4 本章小结
• 第四章 复杂森林场景的环境要素绘制
• 4.1 真实感水面实时绘制
• 4.1.1 水面构建
• 4.1.2 动态水面模拟
• 4.1.3 水面光学特性模拟
• 4.2 自然现象模拟
• 4.2.1 粒子系统的基本原理
• 4.2.2 下雨模拟
• 4.2.3 下雪模拟
• 4.2.4 场景雾效模拟
• 4.3 本章小结
• 第五章 森林可视化原型系统的实现
• 5.1 系统需求描述
• 5.2 系统总体结构
• 5.3 系统功能结构
• 5.4 系统运行
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 主要工作总结
• 6.2 不足与展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历