大规模森林场景建模与渲染关键技术的研究与实现

论文摘要

大规模自然场景建模与渲染技术一直是计算机图形学领域中的一个重要研究方向。不论是三维游戏,影视特效,还是园林设计,军事仿真等领域,虚拟自然场景的生成和渲染技术都是必不可少组成部分。树木和森林场景的建模和渲染也一直是这一领域研究热点,其中,大规模森林场景的渲染和模拟树木在风力作用下的摇曳动画更是能够很大程度提高虚拟场景的真实感,因此本文致力于设计一种适合大规模森林场景的建模渲染方法,并且能够实现森林场景在风力作用下摇摆的动画效果。本文分类分析了在植被模拟领域各种建模渲染相关技术,其中包括精细建模、全局建模、多精细度建模等树木、草地建模方式和树木变形动画的模拟技术,从实现效果、效率等多个角度剖析各种方法的优缺点和适合应用场合。在此基础上,首先本文实现了一种基于树木结构的单棵树层次化建模方式,在模型组织枝条结构和树叶的表达方面在以往技术的基础上进行了一定改进。接着本文引入大规模场景管理策略和实例化技术,通过简化建模方式设计了一种适合大规模森林场景建模的混合式树木建模方法,并在其中提出了一种基于树木结构层次的LOD过渡策略,实现了大规模森林场景的实时渲染。最后,本文提出了一种基于预计算树木变形、实时关键帧选取合成动画主体并辅以实时计算补偿的树木交互动画模拟方法。本文以较为简单的二维向量场为实时风场建模;以“刚度系数—扭转角”的物理模型通过预计算的形式模拟树木在风中形变姿态;在实时动画合成阶段,分风吹时和风停后两个阶段采用不同的关键帧选取策略生成平滑动画主体;对树枝和树干部分通过各自的实时计算补偿方法精确动画效果,丰富模型形变姿态。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 课题背景
• 1.3 研究意义
• 1.4 国内外研究现状及产业现状
• 1.4.1 研究现状
• 1.4.2 产业现状
• 1.5 本文主要工作
• 1.6 本文的章节安排
• 第二章 植物建模与渲染技术研究
• 2.1 植物建模方式
• 2.1.1 细节建模方式
• 2.1.2 全局建模方式
• 2.1.3 多精度建模方式
• 2.2 实时动画效果
• 2.2.1 风场的生成
• 2.2.2 植物动画效果的生成
• 2.3 本章小结
• 第三章 单棵树木层次化建模
• 3.1 树木整体组织结构
• 3.2 枝干的生成
• 3.2.1 枝干轴向向量的生成
• 3.2.2 单根枝条的生成
• 3.3 叶丛的生成
• 3.3.1 叶丛的结构
• 3.3.2 叶丛的分布
• 3.4 实验结果
• 3.5 小结
• 第四章 大规模森林场景渲染
• 4.1 大规模场景管理方法
• 4.1.1 cell 的划分
• 4.1.2 场景初始化
• 4.1.3 数据存储结构
• 4.1.4 渲染加速
• 4.2 混合式树木建模方法
• 4.2.1 树枝结构简化
• 4.2.2 叶丛的简化
• 4.2.3 枝叶合并
• 4.2.4 LOD 过渡策略
• 4.3 实例化技术的应用
• 4.3.1 实例化技术介绍
• 4.3.2 贴瓷砖算法
• 4.3.3 基于实例化技术的模型分布
• 4.4 程序流程及实验结果
• 4.4.1 场景初始化流程和渲染流程
• 4.4.2 实验结果和分析
• 4.5 小结
• 第五章 树木交互动画的模拟
• 5.1 风场实时模拟
• 5.1.1 风场的组成
• 5.1.2 风场的建立
• 5.1.3 风场的LOD
• 5.2 树木形变的计算
• 5.2.1 刚度系数
• 5.2.2 枝干形变计算
• 5.2.3 叶丛的形变
• 5.3 树木随风摇曳实时动画的生成
• 5.3.1 树木形变关键帧的生成和管理
• 5.3.2 关键帧动画的合成
• 5.3.3 实时补偿计算
• 5.4 GPU 加速策略
• 5.4.1 GLSL
• 5.4.2 GPU 编程的加入
• 5.5 实验结果及分析
• 5.6 小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献