基于GPU及冠层空间内雨场分布模型的番茄园真实感绘制

论文摘要

近年来,自然场景的模拟已成为计算机图形学领域的研究热点之一。作为自然场景的重要组成部分,森林、草地、田园等植物群体的真实感模拟,吸引了众多研究者的关注。如何高效、逼真地模拟外界环境因子作用下植物或植物群体的形态及生长过程,对于植物生长规律的研究、生动的自然场景的建立,具有重要的理论意义和实用价值。本文研究了雨、外力等外界环境因子对番茄植株形态的影响,并基于GPU开发了虚拟番茄园可视化系统。本文主要工作如下:1.对参数化L系统进行改进,对参数化L系统中表示器官的字符添加了年龄参数,用来模拟番茄植株的动态生长。同时,对表示枝干、叶片的字符添加了偏转角参数,用来模拟番茄植株的受力形变。基于改进后的参数化L系统建立了番茄可视化模型。2.基于弹性杆件原理,建立了番茄主茎和叶轴的受力模型。首先,通过改变番茄可视化模型中的偏转角参数,来模拟番茄植株在外力作用下的形变。随后,对外力消失后枝茎运动轨迹进行了分析,提出了基于阻尼振动原理的枝茎形态恢复算法,用来模拟番茄植株在外力消失后的动画。3.使用粒子系统对雨场景进行建模,将雨离散为若干个互相独立的雨滴粒子。对雨滴粒子与叶片发生碰撞后的雨滴分裂情况进行了分析,并结合水分质量守恒和能量守恒原理,计算了水滴在三维植物冠层中的传播路径。同时,对受到水滴撞击的叶片进行振动动画模拟。由此,建立了冠层空间内雨分布模型。该模型可以有效的模拟三维植物冠层与雨的实时交互。4.提出了基于GPU的番茄园真实感绘制的实现方法。首先基于GPU图形技术,使用顶点着色器对番茄器官的平移、旋转、尺寸进行计算,使用片元着色器对番茄器官的纹理、颜色进行处理。然后,基于番茄可视化模型,实现了对群体番茄生长可视化的模拟。最后,结合外力作用下番茄的形变算法和冠层空间内雨分布模型,实现了番茄园与外界环境因子之间的实时交互。5.在VS2005平台上,使用C++编程语言、GLSL着色器以及MFC框架,开发了虚拟番茄园可视化系统。本文对虚拟番茄与外界环境因子的实时交互进行了基础性研究,并提出了相关的算法和模型,开发了虚拟番茄园可视化系统。系统较真实地模拟了番茄的单株以及群体动态可视化生长,同时实现了番茄与外力、雨环境因子的实时交互以及番茄园的真实感绘制。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 虚拟植物
• 1.2.2 虚拟植物与外界环境交互
• 1.3 研究内容
• 1.4 论文框架
• 第2章 虚拟番茄模型的建立
• 2.1 番茄的植物学知识
• 2.1.1 番茄器官的生物学特征
• 2.1.2 番茄结构的生物学特征
• 2.2 番茄器官模型的建立
• 2.2.1 枝干的建模
• 2.2.2 叶的建模
• 2.2.3 花的建模
• 2.2.4 果实的建模
• 2.3 番茄可视化模型的建立
• 2.3.1 L系统简介
• 2.3.2 番茄拓扑结构建立
• 2.3.3 实现与结果分析
• 第3章 外力作用下番茄植株的形变模拟
• 3.1 引言
• 3.2 外力作用的番茄形态变化
• 3.2.1 风的模拟
• 3.2.2 番茄的形变模拟
• 3.2.3 弹性杆件受力分析
• 3.2.4 番茄风力形变模拟
• 3.3 叶片的虚拟触动模拟
• 3.4 变形后枝茎形态的恢复
• 3.5 实验结果与分析
• 第4章 冠层空间内雨分布模型的建立
• 4.1 引言
• 4.2 雨场景模型的建立
• 4.2.1 雨场景模型的假设
• 4.2.2 水滴与叶片碰撞后的质量平衡
• 4.2.3 粒子系统
• 4.2.4 水滴粒子
• 4.3 冠层空间内雨分布模型
• 4.3.1 水滴碰撞的模拟
• 4.3.2 水滴碰撞后的叶片动画模拟
• 4.3.3 模型实现步骤
• 4.4 实验结果与分析
• 第5章 基于GPU的番茄园真实感绘制
• 5.1 引言
• 5.2 GPU可编程管线
• 5.3 基于GPU的番茄园真实感绘制的实现
• 5.3.1 番茄园真实感绘制的预处理
• 5.3.2 基于GPU的顶点着色器
• 5.3.3 基于GPU的片元着色器
• 5.3.4 番茄园真实感绘制的LOD处理
• 5.3.5 番茄园真实感绘制中的外力作用
• 5.3.6 番茄园真实感绘制中的雨场
• 5.3.7 番茄园真实感绘制的实现步骤
• 5.4 模拟结果分析
• 第6章 系统设计与实现
• 6.1 系统概述
• 6.2 系统设计
• 6.2.1 系统流程图
• 6.2.2 总体架构
• 6.3 系统实现
• 6.4 系统操作与效果图
• 6.4.1 系统主界面
• 6.4.2 系统操作与功能简介
• 6.4.3 系统的效果图展示
• 第7章 工作总结与展望
• 7.1 工作总结
• 7.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间参加的科研项目和成果