風(fēng)場作用下的森林場景的實時動畫研究.pdf

1、計算機動畫作為計算機圖形學(xué)的一個重要研究方向，在各個領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。隨著計算機硬件和圖形學(xué)算法的發(fā)展，計算機動畫不斷向著高質(zhì)量和高效率的方向進步。
　　戶外場景的實時動畫模擬是計算機動畫的一個研究熱點，而森林場景作為最經(jīng)常使用的戶外場景之一，許多研究者都對其動畫模擬進行了研究，并取得了很多研究成果。由于森林是一個非常復(fù)雜的系統(tǒng)，所以實時模擬會給計算機帶來巨大的計算壓力，部分研究者提出了使用預(yù)計算的方法減輕實時計算量，但是預(yù)計

2、算在處理大量樹木時會占據(jù)大量的存儲空間。一些研究者提出了完整的實時計算方案，但是他們把每棵樹木都當(dāng)成了完全獨立的個體進行考慮，沒有計算樹木之間的相互影響。還有研究者使用了嚴格的物理計算模擬樹木運動，在單棵樹上可以得到非常逼真的模擬結(jié)果，但是物理計算會消耗大量的計算資源，所以很難應(yīng)用到大規(guī)模的森林場景之中。目前，森林場景的實時動畫模擬仍然是一個值得研究的問題。
　　針對這些問題，我們以森林氣象學(xué)的相關(guān)知識為基礎(chǔ)，結(jié)合前面研究者對于單

3、棵樹木運動的研究，提出了風(fēng)場作用下的森林場景的實時動畫模擬的計算方案。由于本套方案采用了大量的森林氣象學(xué)經(jīng)驗公式，因此相對于嚴格的物理仿真方法具有更高的計算效率，同時考慮了樹木位置對于整體風(fēng)場的影響，相較于原來的計算方案，更能反映真實的物理場景。具體而言，本文的主要研究工作和成果包括：
　　（1）實現(xiàn)了單棵樹的建模與運動。使用分形法建立了單棵樹木的模型，提出了把這種模型應(yīng)用到森林場景中時的LOD方法，并模擬了單棵樹木在風(fēng)場作用下的

4、運動，樹枝的運動采用了彈簧模型，樹葉運動采用了以1/fβ噪聲函數(shù)為基礎(chǔ)的隨機模型。
　?。?）提出了基于森林氣象學(xué)的大規(guī)模森林場景的實時動態(tài)計算模型，模擬了平原地區(qū)森林場景在風(fēng)場作用下的實時動畫。首先以森林氣象學(xué)的相關(guān)公式為基礎(chǔ)建立了曠野中的風(fēng)場模型，然后研究了樹木對風(fēng)場的衰減作用以及風(fēng)場自身的恢復(fù)作用，最后以上面的研究為基礎(chǔ)提出了一整套森林場景的實時動畫計算方案。
　?。?）對大規(guī)模森林場景的實時動態(tài)計算模型進行改進，添加

5、地形的影響因子，模擬了山區(qū)森林場景在風(fēng)場作用下的實時動畫。研究了山地地區(qū)的風(fēng)場分布規(guī)律，并建立起了山地地區(qū)風(fēng)場分布與平原地區(qū)風(fēng)場分布的相互轉(zhuǎn)化方法。通過在平原地區(qū)計算方案的基礎(chǔ)上進行的修改，我們最終實現(xiàn)了山區(qū)森林場景的實時動畫。
　?。?）通過對比試驗說明了樹木對風(fēng)場的影響，并分別實現(xiàn)了平原和山地地形上的不同規(guī)模的森林場景動畫模擬，并測試了運行效率。對于1000棵樹的場景，風(fēng)場計算時間在2ms以下，動畫模擬幀率也在15 FPS之上