大规模森林场景的树木摇曳效果实时模拟

论文摘要

自然场景仿真是计算机图形学的一个重要研究领域,在三维视频游戏、影视特效、计算机动画、军事仿真以及虚拟现实等方面具有非常广泛的应用。树木的动态模拟是自然场景仿真中的重要问题。在虚拟场景中合成逼真的树木摇曳效果,能显著地增加场景的真实感。树木随风摇曳是由于树木在风场作用下产生形变的结果。由于树木具有复杂的几何外形,其形变效果相当复杂,准确地模拟非常费时。在现有的实时应用中,通常忽略树木的动态变形,或者采用简化的经验模型对树木形变做粗糙的模拟,效果不能令人满意。本文面向计算机游戏和虚拟现实等实时应用,研究大规模森林场景中树木动态摇曳的实时模拟方法。本文的目标是,既要保证算法的高效,又要实现动态摇曳效果的高质量。为此,本文对以下一些关键问题进行了研究和探索。一、研究最合适的树木摇曳形变模型,包括树木的几何模型以及树木形变的表达方法;二、研究基于数据驱动的树木动态摇曳效果模拟技术。将复杂的物理模拟放在预处理阶段完成。实时动态模拟通过对预计算摇曳动画的高效重用而快速实现;三、研究树木动态模拟的细节层次技术,对于距离较远的树木采用粗略的摇曳模拟以减少计算开销。采用提出的树木动态模拟方法,我们实时模拟了包含数万棵树、数十万棵草以及地形、水面等丰富景物的大规模森林场景在风场中的动态效果。场景绘制效果和树、草的随风摇曳效果达到较强的真实感。本文的主要内容如下。第一章介绍模拟树木摇曳效果的意义及其难点所在。对多个方面的相关工作进行了阐述,对其优点及不足之处进行了讨论。此外,还介绍了本文的研究目标、技术路线和文章组织。第二章提出混合式树木模型及形变模拟方法。树木的主枝结构使用几何数据表达,通过简化的动力学模型实现形变模拟。大量的细枝和树叶则先聚为叶簇,用billboard表达,使用简单的过程式方法模拟其局部扰动。结合几何与形变模拟的细节层次、两级实例化方法以及GPU加速等多种加速手段,实现了初步的大规模森林场景动态模拟。第三章提出基于预计算和数据驱动的树木动态摇曳效果模拟方法。在预处理阶段基于物理模型生成一段初始树木摇曳动画。通过对预计算的摇曳动画进行分析和处理,将它转化为易于重用的运动图结构。在实时运动合成时,通过在运动图中随机遍历快速地合成高质量的树木摇曳效果。实验结果表明,本章提出的树木摇曳模拟方法,其效果与物理模拟方法相当,而模拟效率快两、三个数量级。第四章对第三章的方法进行了一系列的扩展,实现了风力条件可控的树木摇曳效果模拟。首先,提出一种简单实用的运动采样算法,能够由预计算的树木摇曳动画实时合成出任意风力条件下的树木动态摇曳效果。其次,对建立运动图的算法进行了改进,使得生成的运动图结构更加合理。在实时运动合成时,用户可以在一定范围内任意改变风力条件。通过求解一个最优化问题,自动地合成最接近用户指定风力条件的树木摇曳效果。第五章将基于运动图算法的树木摇曳模拟技术应用到大规模森林场景中,实现了包含地形、水面、树木、花草等丰富景观元素的大规模森林场景的实时动态模拟。为增强场景真实感,提出一种伪光照方法以改进混合式树木模型的绘制效果;我们还提出一些高效率的方法以近似模拟水面的折射、反射等光学现象以及晴天、雨天等各种天气条件下的光照效果。为提高模拟效率,我们针对基于运动图算法的树木摇曳模拟提出一种细节层次技术,并采用了多种最新的GPU加速技术。第六章总结全文,并对未来工作进行展望。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 实际应用中的树木模拟技术
• 1.2 本文研究工作简介
• 1.2.1 树木动态摇曳的形变模型
• 1.2.2 基于预计算和运动重用的树木动态摇曳效果模拟
• 1.2.3 动态模拟的加速技术
• 1.3 文章组织
• 1.4 相关工作
• 1.4.1 植物建模方法
• 1.4.2 树木的摇曳模拟技术
• 1.4.3 植被场景的建模与绘制
• 1.4.4 基于数据驱动的运动合成
• 第二章 树木动态摇曳的混合式形变模型
• 2.1 几何/图像混合式树木模型
• 2.2 树木摇曳模拟的准物理方法
• 2.2.1 基于关节的树木主枝形变模拟
• 2.2.2 叶簇的近似形变模拟
• 2.3 自适应形变模拟与绘制算法
• 2.3.1 树木模型的几何细节层次
• 2.3.2 动态模拟的细节层次
• 2.3.3 两级实例化结构
• 2.3.4 GPU加速
• 2.4 实验结果
• 2.5 小结与讨论
• 第三章 基于运动图算法的树木动态摇曳效果模拟
• 3.1 算法概述
• 3.2 运动采样
• 3.2.1 局部风场的建立
• 3.3 建立运动图
• 3.3.1 帧间距离函数
• 3.3.2 建立帧间跳转
• 3.3.3 帧间跳转的光滑过渡
• 3.3.4 运动图优化
• 3.3.5 运动图的数学表达形式
• 3.4 实时运动合成
• 3.5 实验结果
• 3.5.1 摇曳模拟的效果对比
• 3.5.2 摇曳模拟的效率对比
• 3.5.3 动态模型的实例化
• 3.6 本章小结
• 第四章 实变风力条件下的树木动态摇曳效果模拟
• 4.1 各种风力下的运动采样
• 4.1.1 初始风力条件
• 4.1.2 风力条件的动态扰动
• 4.2 建立运动图
• 4.2.1 基于分块的跳转点选取
• 4.2.2 改进的运动图建立方法
• 4.3 风力可变的实时运动合成
• 4.3.1 近似求解的贪婪算法
• 4.3.2 基于最短路径的实时运动合成方法
• 4.4 实验结果
• 4.4.1 扰动风力的效果
• 4.4.2 建立运动图的方法比较
• 4.4.3 任意风力下的树木运动合成
• 4.4.4 在动态森林场景中的应用
• 4.5 小结与讨论
• 第五章 大规模森林场景的实时动态模拟
• 5.1 森林场景的快速建模
• 5.2 森林场景的真实感绘制
• 5.2.1 树木模型的绘制
• 5.2.2 水面光照模拟
• 5.2.3 雨景模拟
• 5.3 实时模拟中的加速技术
• 5.3.1 多种细节层次技术
• 5.3.2 GPU加速技术
• 5.4 森林场景
• 5.4.1 包含多种植被的森林场景
• 5.4.2 包含大面积水域的湿地场景
• 5.5 小结与讨论
• 第六章 总结
• 6.1 未来工作展望
• 6.1.1 对运动图算法的进一步改进
• 6.1.2 其它的数据驱动方法
• 6.1.3 基于动态纹理的树木形变细节模拟
• 参考文献
• 发表文章目录
• 简历
• 致谢