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 植物模型仿真绘制技术研究现状  

2011-4-22 22:44:30 浏览:1854 来源:  

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关键字:分形理论  计算机仿真  耗散结构


  仿真绘制是指根据形态结构模型,用几何数据将抽象的模型变成可见图像的过程。随着造型研究的不断深入和发展,植物的仿真绘制也在逐渐丰富。到目前为止,植物仿真绘制的手段可以大致分为如下几种①基十L一系统的植物的仿真绘制大自然中,多姿多彩的植物世界深深地吸引着科学家们。他们对其显著的几何特性作了深入}fu广泛的研究。美国生物学家A. Lindenmayer }}1]十1986年提出了一种研究植物形态与生长过程的描述方法。这种方法称为L一系统。L一系统不仅研究植物的拓扑结构,ifu b‘研究植物形态的几何表达。1984年A.R. Smith[62]将系统和计算机图形学结合起来,向人们展示出L一系统在计算机模拟植物方面的能力,为计算机模拟具有真实感的图形提供了一个有用的工具。L一系统是一种形式语言,它需要通过对符号串的意义进行解释并执行相应的操作。L一系统用十植物生长过程的模拟是非常成功的,ifu b‘它不限十对植物生长过程的模拟,它的思想还可以应用到电子线路的设计、自然景物、建筑群体结构的仿真等方面。本文所进行的对“竹”二维模型的研究,便是建立在L一系统植物建模的基础上的。

  ②基十粒子系统仿真绘制植物采用粒子系统绘制的森林是早期计算机生成虚拟自然景物最有说服力的例子之一。在树木的仿真绘制过程中,主干及一些较大的分枝仍采用传统几何造型〔如锥形),其它较小的分枝则可以用圆台状粒子组成,}fU用小球状或小立方体粒子组成叶子,只要建立了这些粒子组合或排列的模型,就可以实现植物形态结构的模拟。然}fU粒子系统的光照效果无法根据客观事实严格计算,因此缺乏高真实感。

  ③基十多边形等几何面仿真绘制植物多边形是构造虚拟场景最一般的工具,对十可以用几何曲面定义的物体,尤其是如果它在屏幕上的投影面积比较大([匕如近距离阔叶树),通常可用多边形进行描述。该方法适用十中低等复杂度的场景,但不适十复杂的自然场景,这是因为自然场景通常都高度复杂,一片山坡可能包括成千上万株草。一棵树的不同形态在不同方向上的枝条有成千上万的树叶,因此采用多边形来描述这样的场景显然是不可能的。由多边形等几何面仿真绘制植物时可采用各种成熟的真实感图形绘制的手段,考虑到场景的复杂性,一般采用Z-buffe:深度消隐和阴影生成法绘制近距离的阔叶植物。对十用几何面构造的远距离植物,可首先对模型进行简化,并根据植物的远近采用多分辨率的绘制手段。但远处植物简化后的颜色过十单一,会造成绘制的结构模糊不清。

  ④基十二维纹理结构仿真绘制远距离的植物二维纹理是指用来近似表示许多微面总体光学特性的一个二维参数数组。纹理单兀数组空间中的任意一个纹理单兀都存储着二部分内容:密度标量,表示该单兀包含的所有微面的近似投影面积;结构场,表示该单兀中各微面的局部方向光照模型,是决定有多少光线从微面散射出来。二维纹理结构组成了一个二维数据场,绘制时采用体绘制技术,是构造和绘制短毛皮的有效工具。自然场景中的许多物体,如草地、松针等,在结构上都与毛皮有许多相似之处,因此对原始纹兀结构做调整后,可用来作为描述自然景物的工具。同二维纹理一样,采用二维纹理的依据是自然景物的重复性。相同物种在形态和结构上通常都比较类似,比如相同品种的树木、杂草等。对每一品种的植物构造有限个体纹理模型,再将这些体纹理映射到自然场景中,只要对纹理的映射尺寸、形状和方向有一定避免单一的随机性,所构造出来的自然场景的视觉效果就可接近真实场景。二维纹理是最近几年才被引入到植物的仿真构造和绘制中,它的优点是可以简化场景,消除几何面造成的混淆,使仿真构造和绘制高度复杂的自然场景成为可能。缺点则是由十绘制时通常采用体绘制技术的光线跟踪方法,实现比较复杂,运算的时间复杂度较大。

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