基于L系统的三维树木枝条弯曲与运动模拟算法的研究

论文摘要

不规则物体建模是计算机图形学应用的前沿课题,其发展使计算机生成更为逼真的虚拟世界得以实现。自然界中遍布着千姿百态的植物,作为不规则物体建模领域的一个分支,植物模拟技术多年来一直被众多的科学家所关注。植物具有复杂的三维结构,生长过程也受到多种因素的影响,因此对其形态和运动进行模拟具有一定的难度和挑战性。首先,改进了枝条弯曲形态模拟算法,将材料力学中的弹性杆件模型的受力分析方法应用于基于L系统的枝条弯曲模拟算法中,通过分析重力与趋向性对于枝条形状的影响,实现了在重力与趋向性共同作用下植物枝条弯曲形状的模拟。然后,在分析树木枝条力学模型的基础上,对枝条的动力学模型进行研究;表述了作用于枝条上的阵风风力、轴向衰减力以及复原力,将上述三种力相结合,构建一个更为复杂的风场模型,采用近似计算法对树木枝条的运动进行动力学公式的计算,模拟枝条的运动。最后,对改进的枝条弯曲模拟算法和基于改进风场模型的枝条运动算法进行实现。在设计松树L系统代码的基础上,将枝条弯曲模拟算法作用于其上,模拟了枝条弯曲自然的松树形态。将改进的风场模型作用于树木枝条,运用VC++结合OpenGL模拟出在更为完备和复杂的风场模型作用下树木枝条的运动效果。通过对已有的枝条弯曲形态模拟算法和风场模型的改进,实现了更为逼真的树木枝条形状和其在风中的运动效果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 立题背景
• 1.2 植物形态模拟的国内外研究现状
• 1.2.1 基于分形几何的建模方法
• 1.2.2 基干粒子系统的建模方法
• 1.2.3 参考轴技术
• 1.2.4 其他建模方法
• 1.3 植物运动模拟的国内外研究现状
• 1.4 课题研究内容及预期目标
• 1.5 论文结构
• 第2章 树木枝条弯曲模拟算法的改进
• 2.1 基于L 系统的枝条弯曲模拟算法分析
• 2.1.1 基于双尺度自动机模型的枝条弯曲算法
• 2.1.2 基于L 系统的简单枝条弯曲算法
• 2.2 基于L 系统的枝条弯曲模拟算法改进
• 2.2.1 树木枝条的生物力学模型
• 2.2.2 弹性杆件受力模型分析
• 2.2.3 算法改进
• 2.3 本章小结
• 第3章 树木枝条在风中运动模拟算法的改进
• 3.1 枝条动力学模型
• 3.2 风场模型的改进
• 3.2.1 阵风风力的模拟
• 3.2.2 轴向衰减力的模拟
• 3.2.3 复原力的模拟
• 3.2.4 风场模型的构建
• 3.3 树木枝条运动的算法描述
• 3.4 本章小结
• 第4章 基于L 系统的三维树木模拟
• 4.1 L 系统基本理论与文法描述
• 4.1.1 L 系统文法描述
• 4.1.2 龟解释
• 4.2 树木的生理结构
• 4.2.1 树木的分枝形式
• 4.2.2 树木的叶序
• 4.3 L 系统植物表达机制
• 4.3.1 无主干植物表达机制
• 4.3.2 有主干树木表达机制
• 4.4 基于L 系统的树木生成算法描述
• 4.4.1 无主干树木生成算法描述
• 4.4.2 有主干树木生成算法描述
• 4.5 本章小结
• 第5章 树木枝条弯曲和运动模拟算法的实现与分析
• 5.1 改进的枝条弯曲模拟算法的实现与分析
• 5.1.1 基于改进枝条弯曲模拟算法的三维松树模型的实现
• 5.1.2 实验结果分析
• 5.2 树木枝条在风中运动的模拟算法实现与分析
• 5.2.1 树木枝条运动的实现
• 5.2.2 实验结果分析
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果
• 致谢
• 作者简介