基于OSG的分形L系统的三维树木仿真

论文摘要

随着计算机技术的快速发展,仿真技术越来越多地受到人们的重视,尤其在虚拟现实领域,为了使虚拟场景更加逼真和自然,对影响虚拟场景沉浸感、逼真度的植物的仿真也越来越多。自20世纪60年代起,人们就开始采用不同的方法构建模型模拟植物的形态。目前,植物仿真方面已经有一些研究成果,但是总体来说还没有一个比较成熟、系统的方法,仿真的植物形态也比较单一,不能很好地表现植物多样性。植物看似结构复杂、形态各异,其实蕴含着局部与整体之间的自相似性。可以运用分形理论来描述植物的自相似性。当前,对具有自相似性特征的植物仿真方面,L系统的应用比较广泛。本文选取植物中的树木作为研究对象,采用分形理论和DOL系统相结合的分形L系统进行树木的仿真。本文对现实中的树木结构进行研究,在L系统的基础上对字符集进行扩展,设计了更加丰富的树木L文法描述,提出了比较符合树木生长过程的几何幂衰减规律,结合图形渲染引擎OSG(Open Scene Graph)实现了三维树木的树干部分的绘制,并且通过引入偏转角度实现了树木枝干的自然弯曲。通过添加树干纹理、绘制树叶及其阴影,使得树木更加真实自然。将绘制的树木作为一个节点加载到虚拟场景中,增强了虚拟场景的真实感。实验结果表明,本文采用的树木仿真方法能够真实的展现树木形态,同时可以实时渲染。本文主要研究内容：比较和分析了植物仿真常用的方法,确定了适合树木绘制的方法,即分形L系统,并对分形理论和L系统理论的相关内容进行了深入的研究。分析了影响植物形态结构的因素,即内在因素和环境因素。同时对树木结构进行分析,设计了树木的拓扑结构和拓扑结构的L文法描述。提出了符合树木生长的几何幂衰减规律以及通过引入偏转角度实现了树木枝干的自然弯曲,同时增加了纹理贴图和阴影效果等美化细节,提高了树木的逼真度,并将绘制的树木作为一个节点添加到虚拟场景中,完善了虚拟场景的展现,增加了场景的逼真度,使漫游者有身临其境的感觉。最后,对树木仿真的发展进行了展望。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 论文的研究背景
• 1.2 论文的研究意义
• 1.3 国内外研究现状
• 1.4 论文的研究内容
• 1.5 论文的组织结构
• 2 分形L系统理论概述
• 2.1 分形理论
• 2.1.1 分形理论的提出与建立
• 2.1.2 分形的概念
• 2.2 分形理论的应用
• 2.3 分形方法
• 2.3.1 L-系统法
• 2.3.2 迭代函数系统（IFS）法
• 2.3.3 有限扩散凝聚（DLA）模型法
• 2.3.4 粒子系统
• 2.4 L-系统的基本理论
• 2.4.1 L-系统的提出
• 2.4.2 L-系统的原理
• 2.5 L-系统的分类
• 2.5.1 括号L系统
• 2.5.2 随机L系统
• 2.5.3 上下文相关L系统
• 2.5.4 参数L系统
• 2.6 L-系统的三维可视化研究
• 2.7 本章小结
• 3 植物的发展模式及影响因素
• 3.1 模型设定的标准
• 3.1.1 部分L系统
• 3.1.2 植物生长的控制机制
• 3.1.3 完整的L系统
• 3.2 分枝模式
• 3.3 叶序
• 3.4 植物形态结构的影响因素
• 3.5 本章小结
• 4 虚拟场景中三维树木仿真的OSG关键技术
• 4.1 纹理贴图
• 4.1.1 几种纹理贴图方法的比较
• 4.2 光照
• 4.3 阴影
• 4.3.1 应用于不同场景的阴影算法
• 4.4 本章小结
• 5 基于OSG的分形L系统三维树木仿真的实现
• 5.1 DOL系统在实验中的定义
• 5.2 三维树木仿真算法
• 5.3 改进工作及树木仿真的实现
• 5.3.1 树干的改进及实现
• 5.3.2 空间旋转角度的改进及实现
• 5.3.3 树干的纹理贴图
• 5.3.4 树叶的仿真
• 5.4 实验结果与分析
• 5.4.1 实验结果
• 5.4.2 实验分析
• 5.4.3 实验比较
• 5.5 三维树木在虚拟场景中的应用
• 5.6 本章小结
• 6 总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果