真实感羽毛的构造与绘制

论文摘要

生成高度真实感的虚拟自然景物一直是图形学研究领域中一个富有挑战性的难题。它在电脑游戏、军事仿真、影视特技、建筑景观设计、虚拟现实等领域都有非常广泛的应用。值得注意的是各类自然景物如树木、羽毛、雨、烟雾、火焰等的模拟至今尚无统一的方法。但自然景物模拟一般是先通过计算机构造出几何模型,然后根据给定的光照条件,计算景物表面的光亮度,使观察者产生身临其境,如见其物的视觉效果。本文认真分析了影响羽毛真实感的各种因素,对真实感羽毛效果图的绘制机理进行了深入探讨,并在总结前人工作的基础上,提出了一种模拟真实感羽毛的新方法。首先,用Hermite曲线集模拟平整羽毛,该方法利用Hermite曲线的矢量特性使羽毛绘制更加方便,仅通过几个参数的改变就能自动生成各种样式的羽毛。并在平整羽毛的基础上,根据弯曲羽毛的结构特点,首次构造出其模型,用空间Hermite曲线集来实现,且其使用方法与平整羽毛一样简单明了。但是,羽毛若只用曲线集表示,不具有高度真实感效果,它缺少光照、自遮挡和自阴影等真实感手段,因此,根据羽毛具有近似规则的微观几何结构特点,提出了一种高精细几何细节建模方法的双向纹理函数合成算法。即在建立好的Hermite曲线框架基础上对其进行数学建模并网格化,从而产生了羽毛的几何结构;最后实现羽毛在不同光照和视线条件下的纹理,从而生成双向纹理函数的真实感羽毛。文章的最后给出羽毛的应用,用绘制出的平整羽毛构造出翅膀模型和用弯曲羽毛模拟出羽毛外衣,并指出进一步的研究方向。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 概述
• 1.1 引言
• 1.2 国内、外研究发展情况
• 1.3 本文工作内容
• 第二章 基本概念
• 2.1 计算机图形学基础
• 2.1.1 空间点的齐次坐标表示
• 2.1.2 坐标系统
• 2.1.3 坐标变换
• 2.2 自由曲线
• 2.2.1 曲线描述的基本原理
• 2.2.2 三次 Hermite曲线
• 2.2.3 Bezier样条曲线
• 2.2.4 B样条曲线
• 2.3 羽毛的基本知识
• 第三章 羽毛整体轮廓的建立
• 3.1 平整羽毛的建立
• 3.1.1 方法描述
• 3.1.2 参数
• 3.1.3 绘制
• 3.2 弯曲羽毛的建立
• 3.2.1 方法描述
• 3.2.2 参数
• 3.2.3 实现
• 第四章 羽毛的几何建模
• 4.1 多面体模型优点
• 4.2 羽毛模型
• 4.2.1 羽毛的结构分析
• 4.2.2 羽枝与羽轴表面参数化建模
• 4.2.3 羽枝与羽轴表面网格化
• 第五章 真实感羽毛的绘制
• 5.1 OpenGL概述
• 5.1.1 OpenGL基本特点
• 5.1.2 OpenGL基本原理
• 5.1.3 OpenGL主要功能
• 5.1.4 VC++调用OpenGL简介
• 5.2 光照模型
• 5.2.1 环境光
• 5.2.2 漫反射光
• 5.2.3 镜面反射光
• 5.2.4 光线强度衰减
• 5.3 纹理映射技术概述
• 5.3.1 二维纹理映射的基本原理
• 5.3.2 纹理映射的建立
• 5.4 双向纹理函数（BTF）模型
• 5.5 羽毛的双向纹理映射
• 5.5.1 确定每个表面所对应的纹理子图像
• 5.5.2 实现双向纹理映射
• 5.5.3 实验结果
• 第六章 鸟的羽化
• 6.1 翅膀
• 6.1.1 翅膀的基本知识
• 6.1.2 翅膀的实现
• 6.2 周身羽毛
• 6.2.1 羽毛生长位置
• 6.2.2 羽毛生长方向
• 第七章 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录一: 作者在攻读硕士学位期间发表的论文
• 附录二: 论文的主要源代码