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融合环境影响因子的树叶渐衰可视化

作　者: 杨科峰
导　师: 范菁；汤颖
学　校: 浙江工业大学
专　业: 计算机软件与理论
关键词: 虚拟植物生长马尔可夫链纹理映射三维变形质点—弹簧模型可视化
分类号: TP391.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 67次
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内容摘要

随着计算机图形学的发展,对植物建立模型并动态地模拟植物生长、死亡等生命活动已经成为虚拟现实和可视化领域的研究热点。由于植物的生长发育是一个非常复杂的过程,它不仅取决于物种自身的生理特性,而且还受到光照、水分、温度等自然因素的影响。如何采用可视化技术实现植物器官形态结构及生理结构的生长变化过程仿真是计算机图形学领域中一个十分富于挑战性的课题。本文选择树叶这个典型的植物器官作为研究对象,通过对树叶在自然环境影响下的几何形态和纹理颜色变化的可视化,较为真实地模拟了树叶的枯萎、老化过程。为了准确地展现虚拟植物叶片的渐衰过程,本文首先建立树叶的三维几何模型;在已有叶片几何模型的基础上,引入质点—弹簧模型模拟树叶枯萎、老化的几何形态变化,进一步,运用马尔可夫链模型模拟树叶在不同温度、水分环境下的纹理颜色变化;最后,为了验证本文所用方法的有效性,设计开发出了树叶的渐衰可视化系统,对树叶在不同环境参数条件下的生长状况进行模拟,通过直观的可视化方式展示了树叶的老化、渐衰状况。因此,本文的研究内容主要包括以下四方面:1、树叶的三维建模:在基于图像的树叶建模方法的基础上,采用基于交互的关键点获取和带约束的Delaunay三角化算法,得到树叶的三角网格模型,实现对树叶的建模。2、树叶的三维变形:考虑到植物叶片的物理生理特性及环境因素的作用,采用基于质点—弹簧模型的变形算法,实现树叶在枯萎、老化过程中的几何形态变化。3、渐衰过程中树叶纹理颜色的变换:本文采用基于马尔可夫链的状态转移模拟树叶的渐衰过程,马尔可夫链的状态转移函数包含了影响树木生长的的两大环境因子:温度和水分,从而实现在不同环境条件下树叶纹理颜色的变换。4、树叶渐衰可视化系统:本文最后设计开发了融合环境影响因子的树叶渐衰可视化系统,用仿真结果来验证本文所采用方法的有效性。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-12
第1章绪论  12-19
  1.1 论文研究背景、题目来源及研究意义  12-13
  1.2 国内外研究现状  13-15
    1.2.1 国外研究发展历程及现状  13-14
    1.2.2 国内研究历程及现状  14-15
  1.3 论文的研究目标和研究内容  15-17
    1.3.1 研究目标  15-16
    1.3.2 研究内容  16-17
  1.4 论文的章节组织  17-19
第2章虚拟植物器官建模及可视化的理论基础  19-31
  2.1 典型的植物器官建模方法  19-24
    2.1.1 基于图像的器官建模技术  19-21
    2.1.2 基于参数曲线和曲面的器官建模  21
    2.1.3 基于几何技术的器官建模  21-23
    2.1.4 器官建模方法的比较分析  23-24
  2.2 物体形态变化仿真的方法概述  24-30
    2.2.1 基于自由变形的物体形变算法  24-26
    2.2.2 基于物理性能的物体变形方法  26-29
    2.2.3 各种物体变形方法的总结  29-30
  2.3 本章小结  30-31
第3章树叶三维几何建模  31-40
  3.1 树叶建模方法的确定  31-32
  3.2 本文所采用建模方法的优点  32-33
  3.3 树叶建模的具体实现  33-37
    3.3.1 原始图像的获取  33
    3.3.2 通过关键点获取得到树叶轮廓  33-34
    3.3.3 树叶轮廓的三角化  34-37
  3.4 实验结果  37-38
  3.5 本章小结  38-40
第4章基于质点—弹簧模型的树叶三维变形  40-51
  4.1 树叶变形方法的确定  40-41
  4.2 应用质点—弹簧模型实现树叶三维变形  41-46
    4.2.1 各个质点初始位置和初始条件确定  43
    4.2.2 处理变形约束  43-44
    4.2.3 受力分析、建立微分方程  44-45
    4.2.4 求解方程  45-46
  4.3 实验结果及分析  46-50
  4.4 本章小结  50-51
第5章基于马尔可夫链树叶渐衰可视化  51-60
  5.1 关于物体渐衰、老化的相关方法  51-52
  5.2 树叶渐衰可视化方法的确定  52
    5.2.1 树叶渐衰的特点  52
    5.2.2 采用马尔可夫链模型实现树叶渐衰的可行性  52
  5.3 马尔可夫链模型基本原理概述  52-54
    5.3.1 基本理论  53
    5.3.2 模型表达  53-54
  5.4 应用马尔可夫链模型的实现过程  54-57
    5.4.1 树叶渐衰的半衰期模型  54-55
    5.4.2 环境特性及其影响  55
    5.4.3 树叶渐衰过程在马尔可夫链模型中的表达  55-57
  5.5 实验结果及分析  57-59
  5.6 本章小结  59-60
第6章原型系统的设计与实现  60-74
  6.1 系统概述  60
  6.2 系统的总体架构及主要流程  60-62
    6.2.1 系统的总体架构  60-62
    6.2.2 系统的主要流程  62
  6.3 开发环境和开发工具  62-63
  6.4 系统的实现及仿真过程  63-73
    6.4.1 系统实现的关键技术  63-66
    6.4.2 系统的内部实现  66-67
    6.4.3 系统实现的仿真过程  67-73
  6.5 本章小结  73-74
第7章总结与未来展望  74-76
  7.1 总结  74
  7.2 未来展望  74-76
参考文献  76-80
致谢  80-81
攻读学位期间参加的科研项目和成果  81

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