基于过程化的自然场景下攀援植物的生长模拟

发布时间：2021-07-14 17:05

　　植物的生长模拟历来是计算机图形学的重点研究问题,攀援植物作为植物中的一个重要分支,具有依赖他物攀附生长的特性,如何模拟其生长过程是一个研究难点。自然场景下的攀援植物的生长离不开供以攀爬的地形,过程化生成算法能够利用程序高效地生成随机、多样并且不重复的自然场景与地形。因此,如何将基于过程化生成的地形场景与攀援植物的生长模拟相结合,从而模拟攀援植物在多种多样的地形场景下的生长结果,是一个难题。本文以游戏自然场景的生成作为研究背景,探讨用过程化方法实时模拟并生成包含复杂地形、攀援植物以及云朵的室外自然场景,该研究具有实际应用价值。本文首先以噪声算法为基础,结合三维重建的算法,提出一种过程化地形场景的实时建模与渲染的方法。同时,为了构建天空场景,本文使用体渲染方法实时模拟过程化云朵,并将光栅化渲染方法和体渲染方法相结合,生成过程化自然场景。其次,依据攀援植物的植物模型和生长特性,本文提出了基于粒子系统的攀援植物的建模方法,并结合空间竞争和资源竞争的算法模拟攀援植物依附表面生长的过程;最后,本文将攀援植物的生长模拟算法应用在通过过程化算法生成的自然场景中,探究基于过程化的自然场景下攀援植物的生长... 

【文章来源】：华南理工大学广东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：74 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

基于分形的攀援植物生长模拟结果图

华南理工大学硕士学位论文6第二章论文相关理论基础本章主要介绍基于过程化的自然场景下攀援植物的生长模拟算法的相关理论基础，主要分为四个部分。第一部分介绍攀援植物的建模的相关理论，包括攀援植物的植物模型和生长特性以及基于粒子系统的攀援植物建模的相关理论；第二部分介绍基于空间和资源竞争的攀援植物生长模拟的相关理论；第三部分介绍过程化地形生成的相关理论，其中包括噪声算法的理论基础和三维重建算法的理论基础；第四部分介绍过程化云朵生成与渲染的相关理论。2.1攀援植物的建模的相关理论2.1.1攀援植物的植物模型和生长特性攀援植物可以在不同层次的细节上建模，最常见的应用于计算机图形学的方法来自于生物学[21]，该方法是在模块的级别上建模攀援植物，如图2-1所示。一个模块是一个基本单位，通常对应于攀援植物的某个器官或一组器官。最重要的攀援植物模块是芽(Bud)，它可以有两种形式：顶芽和腋芽。顶芽位于枝干的末端，腋芽位于叶腋并与叶子构成一个节点。其次是连接两个芽之间的一段茎，称为节间(Internode)。节间、叶子和芽共同构成一个分枝(Branch)，最后构成整个攀援植物。攀援植物的生长特性体现在：攀援植物在生长过程中，它的芽器官不仅会产生新的侧枝，还有一部分会用于产生某种爪状器官。这便使得攀援植物可以包围附近的一些物体，从而表现为整个枝干紧贴着支撑物生长的特征。图2-1攀援植物的植物模型图

第二章论文相关理论基础72.1.2基于粒子系统的攀援植物建模基于粒子系统的攀援植物建模，简而言之就是用许许多多的粒子表现整个攀援植物的组织结构，并且用新的粒子的生成和旧的粒子的消亡的过程模拟表现攀援植物的生长和死亡。在此基础上，攀援植物被模拟成能够感知环境的带方向的粒子系统。植物的各个模块是由带方向和向性的粒子组成的。每个粒子都由一个半径确定的球体表示，并与一个局部坐标系相关联。粒子在三维空间中移动，形成一条与枝干相对应的路径。这些粒子能够形成顶芽，腋芽和节间，从而构成带有附着的叶子的分枝，分枝的末端即为顶芽，而新的分枝的产生是通过生成新的粒子实现的，新的粒子构成侧枝。攀援植物会往满足生长需求的方向生长，为了模拟这一点，使用基于空间和资源竞争的方法模拟粒子的生成和消亡，最终得到一个由粒子组成的植物结构。对于粒子所构成的植物模块的几何表达，常用的方法是通过简单的三维模型替代，也即用圆柱体表示节间，三角形表示叶子，球体表示芽等，粒子系统建模植物模块的简易图如图2-2所示。攀缘植物是依靠生成代表顶芽或侧芽的粒子模拟生长的，这个方法并不会改变或拉长已经生长的区域（节间），因为它们在支撑对象中是固定的。对于节间的这些部分可以通过增加它们的直径模拟其生长的过程。图2-2粒子系统建模攀援植物模块简易图2.2基于空间和资源竞争的攀援植物生长模拟的相关理论基于空间和资源竞争的攀援植物生长模拟算法的基础是二维空间竞争算法[22]。本


本文编号：3284544