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真实感植物场景图形学生成算法研究

作　者: 孙振义
导　师: 马培军；唐好选
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 计算机科学与技术
关键词: 植物场景 轴变形 纹理合成 复杂度控制
分类号: TP391.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2006年
下　载: 165次
引　用: 6次
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内容摘要


对自然景物模拟与绘制方法的研究一直以来都是图形学领域的热点研究问题,而植物场景的模拟则是其中一个重要的组成部分。本文主要讨论了真实感植物场景的图形学生成方法,就其中的植物体造型与绘制、动态模型设计以及场景绘制的优化处理等核心问题进行了有针对性的分析和探讨。鉴于实际树种的复杂性,在计算机中建立树模型通常采用基于过程建模的方式,这将使用户面临如何对模型进行交互式控制的问题:参数太少,不足以描述植物的形态特征;参数太多,模型又难以生成和理解。为解决这个问题,本文采取了过程建模与基于图像绘制相结合的方法来生成单株植物。在生成树的过程中,利用Bezier曲线作为顶点控制曲线,采用轴变形方法生成形态各异、效果逼真的树干和分枝。对于叶片的生成,本文采用Bezier参数曲线描述叶子中脉的形状,把树叶或草叶构成的星形结构纹理图象嵌入到叶脉参数曲线的局部标架中来实现。通过将几何模型的多样性与图像纹理的多样性相结合,产生出各种各样的植物实体。文中还对纹理合成算法进行改进,采用了一种基于星形结构的快速纹理匹配策略,实现了植物体的快速绘制。在植物场景绘制过程中,本文首先构建了符合自然风力特征的风力模型,然后采用快速纹理合成技术实现风力场作用下的动态植物场景,该方法可以高效地处理基于物理的快速变形计算。在算法实现过程中,为提高绘制速度,采用了视点相关的基于点的LOD绘制技术。实验结果表明,该风力模型和绘制方法能够快速计算出树和草丛的变形效果,场景画面流畅,具有较高的真实感。在植物场景输出优化控制中,本文首先探讨了如何利用帧间相关性和帧内扫描线相关性来构造相关性加速算法,并采用基于图形和基于图像的方法输出场景的实验结果。其次通过对场景复杂度进行控制的方法,实现了对植物场景复杂度和输出帧速率的有效控制。最后用反馈闭环控制系统对场景的复杂度和输出精度实施自动调整并取得了较好实验结果。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-8
第1章 绪论  8-16
  1.1 课题背景  8
  1.2 常用真实感图形生成算法  8-13
    1.2.1 分形方法  8-9
    1.2.2 粒子系统法  9-10
    1.2.3 三维结构模型  10
    1.2.4 基于三维纹元方法  10-11
    1.2.5 基于图像的绘制方法  11-13
  1.3 真实感植物场景的模拟现状  13-14
  1.4 本文的工作  14-16
第2章 单株植物和草地的生成算法  16-35
  2.1 参数化的随机三维L系统  16-17
  2.2 树枝常用几何模拟方法  17-19
    2.2.1 预定义曲面  18
    2.2.2 生成曲面模型  18-19
  2.3 基于弧长参数的轴变形方法  19-24
    2.3.1 方法概述  19-20
    2.3.2 参数曲线的离散查找表的建立  20-24
  2.4 采用轴变形方法的树枝几何结构生成  24-28
  2.5 树叶和草地的构造方法  28-30
    2.5.1 叶面纹理的组织结构  28
    2.5.2 叶面体的准备  28-29
    2.5.3 叶面布局结构  29-30
  2.6 叶面纹理与参数曲线的纹理映射  30-32
    2.6.1 纹理图像的预处理  30
    2.6.2 将纹理图像映射到参数曲线上  30-32
    2.6.3 建立不同弯曲程度的叶子  32
  2.7 整株植物的生成  32-33
  2.8 本章小结  33-35
第3章 动态植物场景模拟算法  35-49
  3.1 风力模型及其作用下的纹理变形  35-40
    3.1.1 风力模型的构建  35-36
    3.1.2 基于风力模型的快速纹理变形  36
    3.1.3 单个叶面的变形计算  36-39
    3.1.4 树及草丛的整体变形计算  39-40
  3.2 基于星形搜索策略的快速曲面纹理合成  40-43
    3.2.1 建立纹理和网格的层次模型  40
    3.2.2 网格顶点颜色基本操作  40-41
    3.2.3 快速纹理合成算法  41-43
  3.3 基于点的LOD绘制  43-48
    3.3.1 层次细节技术（LOD）  43-44
    3.3.2 基于点的LOD绘制  44
    3.3.3 基于点的LOD造型  44-48
  3.4 本章小结  48-49
第4章 植物场景优化控制  49-64
  4.1 帧间相关性的利用  49-52
    4.1.1 平移相关性  49-51
    4.1.2 旋转相关性  51-52
  4.2 扫描线相关性  52-54
  4.3 场景复杂度的控制方法  54-60
    4.3.1 场景复杂度的闭环控制方法  54-57
    4.3.2 场景精度控制算法  57-60
  4.4 场景输出  60-63
  4.5 本章小结  63-64
结论  64-65
参考文献  65-69
攻读学位期间发表的学术论文  69-70
哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明  70
哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书  70
哈尔滨工业大学硕士学位涉密论文管理  70-71
致谢  71

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 计算技术、计算机技术 > 计算机的应用 > 信息处理（信息加工） > 模式识别与装置 > 图像识别及其装置
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