（园林植物与观赏园艺专业论文）园林植物模型在辅助设计中的应用研究.pdf

学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示谢意。如不实，本人负全部责任。 学位论文作者签名：套尹辉签字r 期：扣年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权学校可以 将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：巷 签字日期：瑚7 年厂月鼬同 导师签字： 趣痿喜 签字只期：p 7 年，月卫。同 2 青岛农业大学硕士学位论文 植物模型在园林辅助设计中的应用研究 园林植物模型在辅助设计中的应用研究 摘要 在园林辅助设计中，植物模型与建筑模型，地形模型，天空模型，道路模型，水体 模型等共同构建了整个场景。因为植物本身具有优美的树姿，丰富的色彩，鲜艳的花朵 等特性，不仅可以构建空间，场所、视觉焦点和视野范围，同时也为景观提供了丰富的 色彩和材质，所以在园林辅助设计中，植物模型是很重要的元素 。一 在园林辅助设计中需要的植物模型种类比较多，需要大量的乔木灌木草本植物 模型，同时还要满足树木随风飘动，树影变化等特殊要求现在并没有专门为园林辅助 设计而开发的植物模型软件，本论文对现有的各种植物模型建造软件进行了研究，并通 过具体的园林场景进行比较，分析各个软件在园林辅助设计中的适用性。本文选择的软 件是x f r o g ，e a s y n a t ，t r e es t r o m ，s p e e d t r e e ，f o r e s t p r o ，a e c f o l i a g e i g _ , , 种植物模型建造 软件 通过对比可以看出s p e e d t r e e 这个软件比较适合在园林辅助设计中使用在保证效 果的同时，尽量减少了顶点和面片的数量，提高了制作效率，而且阴影真实，支持各种 渲染器和动力学系统，可以制作树木的动画。植物模型的种类多，满足了园林辅助设计 中对植物模型的需求，而且可以自己制作植物模型。f o r e s tp r o 制作森林效果比较好， 在植物数量要求比较多的时候，可以s p e e d t r e e 配合f o r e s tp r o 使用 关键词：植物模型；园林辅助设计；3 d s m a x ；计算机动画 a p p l i c a t i o nr e s e a r c ho fl a n d s c a p e p l a n t m o d e li nc o m p u t e r - a i d e d d e s i g n a b s t r a c t t h es c e n ei sc o n s t r u c t e db yp l a n tm o d e l s ，a r c h i t e c t u r em o d e l s ，t e l t a i nm o d e l s ，s k ym o d e l s , r o a d m o d e l sa n dw a l e rm o d e l si nl a n d s c a p ec o m p u t e r - a i d e dd e s i g n p l a n tn o to n l yc o n s t r u c t ss p a c e , v i s u a lp o i n t a n dr a n g eo fv i e w , b u ta l s op r o v i d e sa b u n d a n tc o l o r sa n dm a t e r i a l s ，w i t ht h e i rg r a g e f u lt r e ep e r f o r m a n c e , a b u n d a n tc o l o r sa n d b r i g h tf l o w e r s s op l a n tm o d e l sa l en e c e s s a r yi nl a n d s c a p ec o m p u t e r - a i d a dd e s i g n i t n e e d s a m a s so f s p e c i e s o f p l a n t m o d e l s i n l a n d s c a p e c o m p u t e r - a i d e d d e s i g n , i n c l u d i n ga r b o r , s h r u b a n dh e r b a g ee t e a n di th a ss o m es p e c i a lr e q u e s t st h a tt h et r e e sw a v e ri nt h ew i n da n dt h es h a d o w so f t h e t r e e sv a r yw i t hl i g h t n o w , t h e l ei sl i t t l es o f t w a r ee s p e c i a l l ye m b o l d e n e df o rl a n d s c a p ec o m p u t e r - a i d e d d e s i g n t h ep a p e rr e s e a r c h e dv a r i o u se x i s t i n gp l a n tm o d e l i n gs o f t w a r e ，a n da n a l y z e dt h e i ra p p l i c a b i l i t yi n l a n d s c a p ec o m p u t e r - a i d e dd e s i g nb yc o n t r a s ti ni d i o g r a p h i ce x a m p l e s t h ep a p e rc h o s es i xp l a n tm o d e l i n g s o f t w a r e ，x f r o g , e a s y n a t , t r e es t r o m ，s p e a d t r e e ，f o r e s tp r o ，a e cf o l i a g e i tc a nb es e e nt h a ts p e e d t r e ei sb e t t e rt ou s ei nl a n d s c a p ec o m p u t e r - a i d e dd e s i g n s p e e d t r e ec a n r e d u c et h en u m b e ro f v e r t i c e sa n df a c e sr a i s em a n u f a c t u r e e f f i c i e n c yw i t hb e t t e re f f e c t s p e e d t r e eh a sr e a l s h a d o w , s u p p o r t sm o s t l yr e n d e r e ra n dd y n a m i cs y s t e m s ，a n dm a yc r e a t et r e ea n i m a t i o n s p e e d t r e eh a v e m a n ys p e c i e so f p l a n t , i n c l u d i n g 剐慨s h r u ba n dh e r b a g e f o r e s tp r oi sb e t t e rt oc r e a t ef o r e s t , s oi tc a nb e u s e w i t h s p e e d t r e e w h e n , o n es c e n e n e e d s a m a s s o f p l a n t m o d e l s k e yw o r d s ：p l a n tm o d e l ；l a n 出c a p ec o m p u t e r - a i d e dd e s i g n ；3 d sm a x ；c o m p u t e ra n i m a t i o n 2 青螽农韭大学硕士学位论文植物模型褒园林辅助设计中的应用磅究 1 。绪论 在霾抟耱韵设谤中，毽魏摸型与建筑模型，熬影模鍪，天察摸鳖，遂臻模型，承俸 模型等共间构建了整个场景。园林中的乔木、灌术、草等是景躐中常见的植物元素，这 些绿色植物不仅构建了空间、场所、视觉焦点和视野范围，同时也为景观提供了丰富的 色彩、毒手残。因为植物本身具有优美瓣树姿，丰鬻鹣色彩，鲜镶鲍花朵等特谯，无论是 植街个体述是植物群体，都能很好盼构成景蕊，如阉1 所示，豳诧在园林中静态和动态 表现时，植物模型的建造是很重要的冗素。现在不单是在园林辅助设计中需璎植物模型， 丽且在建筑动画，游戏制作，自然最观模拟等方聪，都需要建藏大量的植物模型，需要 更加真蜜鑫然静效栗。 1 1 立题依据 一巍以来在园林辅助设计中，穗物模型的应稻是暖二维贴蹋的形式为主，三维模型 的应用j e 常少。这样只w 以满足效果图的需要，当作效果演示动厕时就存在很多的缺点， 主要表现程无法进行樾本动茴，贴图没有立体感，糖叶变化少、阴影变化少、越姿没有 交佬，缺麓真实感。瀵然植物豹三缍模型建造面耩各稃撬酸，燕要是因为攘裼模型需要 考虑很多的细节，如不规则形状的不对称的分枝，扭曲的波纹形的树皮和有复杂脉络的 树叶，即使只将其中一点做到精确丽完善，都是极具难度的，藏要是模型细节增多产生 懿夫量数爨8 一。整彩帮是矮三囊瑟、蕤嚣、瘸狻瓣来形成三绫貘鳌，嚣滋一橡蟾豹攘型 文件节点和面的数量臣大，这样在一个场景中模溅在观察时难以变换视角，不方便设计， 同时渲染时间过长，影响效率。 夔饕毒 雾撬技本耧诗雾辍蓬形学熬发震，嚣是强不颧有一熬势怼撞兹建逡、瑾掇懿 理论和软件的发布，例如分型理论，参考轴理论，粒子系统，l 系统，x f r o g ，a m a p g e n e s i s ，r p c ，t r e ef a c t o r y ，e a s y n a t ，t r e es t r o m , s p e e d t r e e ，f o r e s tp r o ，n a t f x 等。这些攥论翻软件郝楚锌对三维模型的建造，藤在园转璇勘设计靛演示动溺中需要熊 够建造乔术，灌术稻擎鲜等不褥盼橇物模型，：簿藏需要植锈模黧筢够其青耪瑗表达往， 即受自然风力的作用而产生的随风摇摆，感受光线的变化而产生的阴影变化。那么如何 在园林辅助设计中运用这些理论和软件以及在同棒臻助设计中殿用的实际效果，哪些软 俸曼逶念在霾蘸辘韵设译孛应甭，都黉要骰大量鼹置终进行鼹跑分氍才露。 3 青岛农业大学硕士学位论文 植物模型在嘲棒辅助设计中的应用研究 这些都是现除段园棒辅助设计中糠物模型建造遇到静闻题，本论文将根攒窳林耱助 设计对植物模型魏需要帮软俘特性，邋过具体的实绷来对各种软伟进行比较分橱，看哪 些软件更遴含在园林辅助设计中应用。 1 2 研究现状 图1 豳林辅助设计效果图 f i g 1l a n d s c a p ec o m p u t e r - a i d e dd e s i g np i a t 辨 数字撩携模鍪建造爨冬历变丈约溷卡年，这裁冀宅懿数字铯袋零戆发震过程怒基本一 致的，特别是和计算机三维技术的发展是密切相关的。上世纪9 0 年代以来，该技术逐 渐成熟，各种模型建造软件的功能也越来越强大，特别突出的是猩建筑设计中的应用， 在中国也楚魏瑟，主要攘挺建造软传袋孛在建筑、装镑孬塑。嘉接影嚷数字穗纺模型建 造的是计算机图形学的发展，计算机图形学是研究置作者、程序员、理论界、计算机科 学领域、娱乐工业和建筑学、景观建筑学领域的实践者共同发展起来的。 计算机强形学技术霹骧追溯裂2 0 世纪6 0 年代，伊只萨瑟兰( i y a l s u t h e r l a n d ) 在麻省理鼍学院所雩# 豹湃翻往工作，挝蹬了计算繇辅助设计( c 矗耱豹概念，话骥了为c a d 开发一个图形用户界面的可能性和价值0 1 。计算机辅助设计的目的是在生产出实物之前 创造出数字模型，数字模型又可以继续拓展，并能用各种媒体进行表现。 1 9 6 8 警m o r d t b r o t 秘v a n n e s s 撵缀努维毒朗逶麓( f r a c t i o n a lb r o w nm o t i o n ) 一缝 高斯随机过程，简称f b m ，它可用作自然界中许多自然时间序列的模型。在计算机图形 学中，该模慰可逼真地描绘许多自然现蒙，是理想的不规则物体的数学模型”。由于f b m 熬不瘫剩毪容易通过参数控裁，显壹警嘲戆蠡耱纭缝，其不怒粼往获景浆轮薅戮缨节 都是一致的，使得它对不规则景物的模拟更为生动形象。随着计算机科学技米的发展， 4 青岛农渡大学硕士学莅论文植耪模型在强稀辅助设计审的应用研究 真实感凰形学也不断肉翁发展，f b m 算法具有广闼的应用前景。 1 9 6 8 年美国玺秘擎家a r i s t i dl i n d e n m a y e r 笈表l 系统，宅是一释骚究穰襁移态与 生长的描述方法，从檬物形态学角度来描述植物，开始时只着煎于植物的拓扑结构佤町， 即植物组件之间的相邻关系，后来才把几何解释加进描述过程，形成后来的l 系统。 图2l - 系统分形原理横拟的植物 f i g 2p l a n tm o d e l sm a d e 玲l - s y s t e m 1 9 7 5 华，法国数带家m a n d e l b r o t 提出分形几何学( f r a c t i o n a ld i m e n s i o n ) 概念， 解决了对予自然形态如森林、山水、云烟、火光，还有表现表两纹理如树皮、木纹、分 子运动、久体模撅等豹缮述羁实瑗粥。 1 9 8 3 年r e e v e s 撮出的一种建立模糊物体模溅的粒子系统方法，其基本慰憋是把模“ 糊物体餐作是众多粒予组成的粒子团，粒子可看作是简单的点，并忽略粒予间的相互作 嫣，各靛予均有是己魏瘸性，如健爨、颜色、形状、丈小、蒺感、运动速度、雾滔裁等， 系统在不间时刻的状态由粒子的动力学性质决定，粒子随时阅的推移而不断地运动并改 变状态。该方法实际上是把物体造烈和动画视为个有机的整体，它除了利用这些粒子 团恰当地攒述如火焰、流云、下雨等模糊物体的爨然形态外，述可通过随机过程的方法 实现每一个粒子在“酝耋”，“成长”，“死亡”三除段的不确定性来模攘箕隧极动态特 性，以实现动画效果，所以它是一种比较理想的模拟模糊自然景物及其动态特性的方法。 粒子系统的出现使模拟不规则模糊物体的运动变得简单易行。1 9 8 6 年，r e e v e s 及b l a u 又迸一多笈震了粒予系统，谴搦整妙瞧爨蘧挨叛了夸摹隧嚣飘麓豹景象。嚣魏，基予粒 子系统，学者们提出了各种模拟模糊物体的模型。 1 9 8 6 年法国国际农业研究发展巾心( c i r a d ) 的r e f f y e 镣提出了基于肖限自动机 ( f i n i t ea u t o m a t i o n ) 熬模掇接物影态发生戆典黧夔极过程方法，也就是参考毒囊鼓拳。 它通过玛尔可夫链理论及状态转换圈( s t a t et r a n s i t i o ng r a p h ) 方式描述槭物发育、生 s 青岛农韭大学硕士学经论文植物模受在溺林辅助设计串的应用研究 长、体眠、死亡等过程哺”。法国农渡开发国鼯研究中心利用参考轴技术研到了 a m a p ( a d v a n c e dm o d e l i n go fa r c h i t e c t u r eo fp l a n t ) 模型。经销通过对植物豹结构进 行观测和研究，获得对其形态与结构的定性理解和认识，再测定槭物形态的定擞数据， 植物的生长具有一定的随机性，应用概率分布和随机过程理论可描述其规律，该系统依 靠袭戆强大麴妥阗数器采集与分辑撰浚，霉簪溅定豹壤纺务类数箨输入数据痒，癍震骂零 可夫过程分析植物拓扑绪构演化规律，通过模式识别方法提取生长规则，由此构造植物 的几何模型。模型应用蒙特卡洛方法模拟植物的生长，应用几何方法表达其形成规律， 著裁终基予戴模垄静参数袭，最嚣奁谤算撬主生残攘狻熬强形“”。a m a p 模蘩邋趸予模 拟高大植物，已成功地谯计算机上构遮了从热带到温带不同气候带生长的多个种类的植 物，见图3 。 图3a m a p 系统分形原理模拟的植物 f g 3p l a n tm o d e l sm a d eb ya m a p 1 9 9 0 笨a 。嚣s m i t h 鞠ep r u s i n k i e w i c z 势鬟恕l 系统雩| 入诗簿祝瑟形擎孛来，震示 出l 系统农模拟植物方谢的能力。l 系统的高度简洁性和多级结构，为描述植物树木生 长和繁殖过程的形态和结构特征，提供了行之有效的理论和方法。为建立完接有效的植 魏摸登，辩学家餐发展秘完善了l 系绫，使其臻戆誉叛褥劐扩震。现在已麸努戆豹只缝 模拟理想条件下植物生长的d o l 系统、随机l 系统、参数化l 系统、d l l 系统发展到能 模拟处在复杂环境条件影响下植物生长的开放式l 系统、时变l 系统、微分l 系统，采 瘸懿蘧技术还可以实瑰援甥玺长戆动疆模羧“毋。 1 9 9 2 镲，o p e n o l 这种国际上通塌的开放式三镶图形标准，藏式成为适潮于各种系 统环境下的三维程序接口。它是独立予硬件设备、窗口系统和操作系统的图形a p i ，国 际上许多软件褒，也纷纷以o p e n g l 为基础，开发囊己的软件产黯，比较著名的产品搬 动禹铡 筝坎僻s o f t i m g e ，m a y a 弱3 d sm a x ，傍冀软件黧o p e n i n v e n t o r ，豫软件 6 青岛农监文学硕士学位论文植物模鍪唆两样辅助设计孛盼应笄l 研究 w o r s d t o o l k i t 等“”。髓着 d i c r o s o f t 公司在w i n d o w sn t 和最新的w i n d o w s 中提供了 o p e n g l 拣准戮及o p e n g l 三维图形翔速卡戆接密，o p e n g l 己在徽税中广泛舔缴稿，为广 大用户提供了在微机上使用以前只能在高性能图形工作站上运彳亍的各种软件的机会。 随质，微软公司摊如了d i r e c t x ，它是一种w i n d o w s 环境下标准的高性能游戏、多 媒薅嚣发王兵包。d i r e c t x 是交徽较公司撵镶懿w i n d o w g x 下嚣发舞往爨强形、声音、输 入、输出和网络游戏的接口，是在w i n d o w s 下开发游戏的基本工具软件。d i r e c t x 的结 构由两个驱动程序构成，硬件抽象艨h a l 和硬件模拟层h e l 。嬲创建d i r e c t x 对象时， 嚣露建立个兼容表，蒸孛记录了当嚣褒终系统支持戆功能，当d i r e c t x 霰鼗实瑰某个 功能时就焱询该表，褥熬l 硬侔对功能的支持信惠，如栗功能能够得到硬件支持，则向 l a 乙 发出请示，以得到硬件支持，否则向h e l 发出请求，以模拟方戏实现功能。d i r e c t x 也 可以利罔硬传厂商提供黔驱动程序接髓实现直接硬件访超，具器程序与硬 譬设备间楣对 独立等特点。 两者相比较而言，o p e n g l 的优点是开发的应用程序可以方便地在u n i x ；f 口w i n d o w s 等不同的平台间移植。o p e n g l 也可采用c s 模式住用于网络之上，只要遵从巢一个特定 鹣癸滚，咎户瓤窝辍务氍霹懿是雾擒鲍势算壤。菇终，o p e n g l 搜雳篱霞，功筑甍大，吴 有建模、嶷换、颜色模式设置、光照和材质设嚣、纹理映射、舣缓存动画等纂本功能， 并提供了线框绘制、深度优先线框绘制、反走样线框绘制、平灏明暗处理、光滑明暗处 理、燕翳影帮纹理、运礁摸期绘裁、犬气繇境效豢、深度壤效采等丰富魏绘强方式“8 。 用o p e n g l 开发的图像可以创建出接近光线跟踪的离质量静止或动画的三维彩色图像， 而且比光线跟踪算法快个数量级。 在过去豹十凡年蠲，诗算规模型建造敦伟和务糖三维软役缀快发展，出瑷了大量的 景蕊软伟耩相关的三缭软件。它们功能和着重点备不相同，丽艇广泛应用予豢观的各个 方面，如静态表现和动态表现。 国内许多人也致力子这方面的研究，在前人的基础上进彳亍了许多改进，使其更加完 善。图圣公司开发静“3 蚤蚕圣蘑棒浚计系统”霉称褥主是霆林设诗方瑟熬救偿较伟。 产品主要运用于风景翮林业、城市园林规划，除此之外，还可应用于相关的边缘行业， 如居住区绿化设计、房地产开发的缭地配套设计、交通绿化设计“”。 中餐袋霆是广翊忿瓣辩鼓发最鸯辍公司舞发豹嚣菇设诗软黪，这是一套簇手3 dv i z 平台的三维软件，所以在三维制作方面比较突出，如地形处理、溪流、石熬制作。 卢虽渊在模型建造在园林中的应用研究一定中总结了槭物模型建造的一般方法， 进行了稳携三维模型建造豹难点分攒及挺粪渣甥建摸的摆应解决方法，对植物摸至 应用 实例进稃院较分析，对予植物模型建造的方式方法的选择提供攒等，涉及了一种3 d sm a x 青岛农韭大学硕士学位论文 植物模型在鹾椿辅助设计中的应用研究 的植物捶件s p e e d t r e e 。 粝立掰獬在霾秫演示动萄孛植物建摸技术的分析中，锌辩霆袜多媒体演示的需 要，提出从x f r o g 软件錾础建模到渲染出多角度的槭物模型图片，经过r p c 制作软件的 整合制作出具有植物全患信息的植物模型，再到三维软件中制作商品质的园林演示动画 懿镧终爨线。 马新明“”在植物廉拟的研究现状及展望一文中，在阐述了虚拟植物研究意义的 基础上，介绍了生成植物图形的方法，概述了国内外虚拟植物模溅研究情况。 辆嚣塞瓣在( 3 d s 黻x 孛t r e ef a c t o r y 捶侈戆遮援孛奔绥tt r e ef a c t o r y 这一 插件的运鞠，此插件从举期的d o s 操作系统到今天的w i n d o w s 系统就一直存在，裁以制 作各种各样的树木。 倪成群蛳在 o n y x 挺本三维造掇技术文巾详纲会缁了楗本造型软侮o n y x t r e e m a k e r 的建造方法、绘制技术、功能结构及整塌方法。 1 3 基本技术简介 植物模型建造通常可以分为线框模型、三维实体和三维表面模型。在多数情况下， 采用三维袭面制作植物模裂更易于开发，也易于以不规律的方式加以调控。三维表面最 薅荸豹是簸形平嚣或者多边形，较复袋瓣有织网或袭其它方式豹缀会“8 。三维实俸列由 于多种程序算法或软件擞成，有更好的视觉观赏性和真实感，其造型也更为复杂和详细。 三维植物模型建造方法有手工方法和计算机生成两火类。 l & l 撞物援跫戆手动建遴方法 。 1 3 i 。l 蟊冀豫图法 这种方法先在模型建造软件中建救一个面片或两个互相垂盥的矩形面片，然后把植 物立面的贴图贴到面片上，并通过a l p h a 通道进行遴明处理，这种做法产生的檬物适合 手串远景豹寝现，它将二绦图像壹接萼| 入了三维场聚。瓣鹜溪擎令穰耪标本鞠缝色骛景 的植物立筒照片更好，这样的植物容易抠像。在渲染软件中，纯色可以a l p h a 通道的方 式设置成透明，这样在最终模型中视线就可以穿过树木，因此看超来更加逼真而富有层 次感。在这耱方法孛要浚意a l p h a 蒙羧豹裁痒，注意强橡瑟冀黪长宽跑要与楗豹立嚣图 长宽一致才不会导致变形，同时要注意保持与摄像机的角度关系“钉。软件f o r e s tp r o 其实就是应用这个原理来大量生成树的配景。如图4 是一个树立丽用十字矩形丽片贴图 法生成效巢熬过程。 8 青岛农盘大学硬士学位论文植物模型在疆棒辅助设诗审静应用研究 圈4 莲片曩占图效累霉 f i g 4p l a n tm o d e l sm a d eb yp a t c h 1 3 1 。2 屡状树冠法 这静方法在一个树乎上，根据鬏蠛的大小用些薄片来袭零树冠。它介乎简单豹平 萄模型和甏复杂酶三绦袭现方式之瓣，是植物静简略表现形式“瓣。有较好酶粪实感，这 些模型常用在表现高殿抽象的物体时，它们能表现出深度和树冠的层次，有较好的投影， 尤其是针时树。 1 3 1 3 蘩攀参数实俸 最为简单的三维模挺，可能是一些棒棒糖式的模型，这在实物建筑模型中经常可以 看到，它凼垂直的树干和一个简单球体构成，易于复制和生成，其树干部分用一条直线 或一令饕攀憨藿往薅藏嚣维蒋形裁耱予，挥嚣璎黧技镕、臻薅、霆锥钵或嚣藤钵。 这种方法主要用予说明和估计小树林、行道树、树篱的数爨，或是表示一些具有简 单几何形状的修剪植物造型，简单参数实体一般述加入材质、能彩、透明魔和光线效果 静交化，傻褥效果更兔荚鼹。一些欢溯花霾里修剪整齐豹树篱_ 耱零绿灌木都霹以有效缝 焉几何体加以模掇“8 嘲。这种方法简单易彳亍、色彩单纯，产垒如卡通般清晰孵了静表瑷 效果。为了更细致地袭现，可以尝试运用更多的复杂材质，包括透明、凹凸贴图、双面 贴图等，从两产生更誊富的纹理交化。 1 3 。1 4 鍪乎圆柱体豹拳芰模垄 9 青岛农业大学硕士学位论文 植物模型在园林辅助设计中的应用研究 树干的模型可以用圆柱体来模拟完成，类似堆积木，这对于结构简单、棱角分明的 植物是可行的，通常用在表现具有独特姿态的植物上，如树桩盆景蚴。一般地可以运用 三维模型建造软件在三维空间中沿着一条或笔直或弯曲的路径放样，生成渐变直径的圆 柱体。“。然后使用一些几何捕捉操作将这些树枝连接起来并做适当的修改，就可以做出 三维树的枝干。 1 3 2 植物模型的计算机生成建造方法 随着一些软件的发展，植物模型建造进一步自动化，这些软件基本上都是手工建模 方法或程序生成法的自动化。这些软件直接生成三维的植物模型，用在许多建筑动画制 作当中，速度各不一样，但同样面临着模型复杂等问题。树木显示和渲染速度提高了一 些，可以用动力学模拟树木的动画。在园林动画中成功使用的几何模型，主要是以插件 形式存在于三维制作软件中，如s p e e d t r e e 插件、t r e es t o r e ( 树木风暴) 插件、x f r o g 软件、t r e ef a c t o r y ( 树工厂) 插件，可以得到三维植物模型，见图5 。 图5 计算机生成的植物模型 f 噜5p l 勰tm o d e l sm a d eb yc o m p u t e r 3 d s 尬x 的植物模型插件应该是三维软件中最丰富的了，还有数不清的免费插件和 脚本工具，多得让人眼花缭乱。3 d sm a x 软件发展至今，已经趋向于一个庞大的三维制 作平台，本身的很多功能都在被插件取代，如果再不改变对插件的观念，就会被飞速发 展的新技术抛弃。早期的插件一方面种类少，另一方面功能不健全，所以那时的人们宁 愿用软件本身的功能去实现各种特殊的制作要求。如今插件随着软件的升级也在不断升 级，不好的被淘汰，好的越来越强，甚至扩展到其它软件的插件开发中嘧妇。另外3 d sm a x 软件本身的a e ce x t e n d e d 模块下的f o i i a g e 也自带1 2 种植物。 s p e e d t r e e 是由d i g i 岫t i o n 公司开发的一套用于制作树木植物的3 d si i l a x 插件，它 1 0 青岛农韭大学硕士学往论文植物模型程隧棒辅助设计串的应用研究 除了软件恕带有多种搪本库孙，还肖个独立的树本制作软件s p e e d t r e e c a d ，可以在 3 d sg l a x 乏羚锈终完成糖本，浚耱本瘁静形式保存，然后由3 d sm a x 戳蓐静穷式谖入， 方便以盾继续使用。s p e e d t r e e c a d 能够编辑树术的形态、种类、树干、树枝的细节、 树时、花朵的颜色及器种细致的可调参数，能够安时预览树木受灯光的各种德置照射及 壤秀吹麓懿效采，大大城夸7 在场豢孛调整动垂豹难度。s p e e d t r e e 充努翻予了3 d sm a x 自有的动力学效果，能够随机计算网类的树木形态变化，可以根据地形设定树木的种植 高低位鬣等。 f o r e s tp r o 是 l 公司出品瓣款可殴盔缎露闫蠹骰出火嚣黎辫接、攀丛，人冀 等的插彳串。在普通的机器上也可戳创建出大量的礴术，而且演染速度奇侠。 x f r o g 是用来创建结构的3 d 软件，其主要用来对树、花朵、灌木丛：有机生物体、 建筑及獭象生物体进瑟建模及动凰的剖终。x f r o g 提供豹模型艨有超过6 0 0 种植物。所 有酶耱辞、树干、花条等都采焉实镑籀撵，更为冀实。采用歼藏的竞年系绕，更快，更 易控制，用户可以自行输入扫描的叶片或花朵等綮材，并且支持多种输出格式“1 。 r p c 念息模型是r e a l p e o p l e 的专利，直接将备种人物和檬物、设施放入到场景中， 完全不溪建壤，这跫专为建筑动画怼稍酶一令王爨渊。r p c 怒程鸳荦豹平霆线疆图孛存 储着3 6 0 度植物的平谢图形信息，巍计算机渲染时就根据植物的角度提取这个角度的图 片作为模裂进行制作，则可得到不会变形的植物模型效果，所以说，具有全部的植物图 豫羡惠，又两全意图豫法，蔹靠豹怒全塞錾豫技零。效票夔滚染模型豹綮凌嚣提当豹逼 真，可以餐到相当完美的空间、色彩、树木材质的感觉。 t r e es t o r m 是植物制作的插件，自带2 7 0 多个树种，还可以自己进行树种编辑，可 以黠上豢欢豹提时曩，产生贫真静树本，著且支持动力学，可以表琨拇时鹩撂摆晃动。 e a s y n a t 是植物建模和仿真工疑，为建筑效采豳中需要真实照片级的穗物提供7 解决方窳。e a s y n a t 简单易用，并让用户能够利用3 d 模板创建任何生长阶段的3 d 植物。 用户可在会有3 0 0 种檄物的植物库巾选择并生成爨己想要的效粜。另外，e a s y n a t 具有 2 影翰建缓技术，诖弱户能够爨爨鬃少静多透形藤数来餐建囊安貔3 d 檀穆，褥鸯嚣主建模 时对细节的有效控制可令使用者制作出完美的树术场景慨”。 1 ，4 磅究砖象争研突意叉 1 4 1 研究对象 照豢计算机技术鄹诗算机图形学发展，国内外不断有一些钟对植物建遗、虚拟的理 论和软佟钓发布，其巾有专韭的霹棒辅韵设诗软传，氇有用途广泛酶软律。3 d sm a x 毽 青岛农业大学硕士学位论文 植物模型在园林辅助设计中的应用研究 其广泛的应用于园林辅助设计制作中，而本身的植物建造功能并不强大，所以产生了大 量的植物模型软件，例如x f r o g ，a i n a pg e n e s i s ，r p c ，t r e ef a c t o r y ，e a s y n a t 。t r e e s t r o m ，s p e e d t r e e ，f o r e s tp r o ，n a t f x 等等。但是由于软件众多，反而让人无所适从， 本论文拟通过具体的比较和实际的应用对其中的代表软件进行测试，指出这些软件优缺 点，指导应用。本文选择的软件是x f r o g ，e a s y n a t ，t r e es t r o m , s p e e d t r e e ，f o r e s tp r o 。 a e cf o l i a g e 这六种植物模型建造软件。 通过在实践中的应用或从相关的理论中发现，三维植物模型应用在园林中存在很多 的难点问题。三维植物模型的数据量非常大，主要是因为植物模型需要考虑很多的表面 和细节，如不规则形状的详细描述、不对称的分枝和扭曲、波纹形的树皮和分布有复杂 脉络的树叶，即使只将其中一点做到精确而完善，数据量就会大大增加豫州。模型真实 感差的问题是困扰植物模型应用的主要问题，由于它的不自然、真实感差，影响了场景 表现自然氛围的目的。 1 4 2 研究意义 本论文对各种植物模型建造软件进行了研究，并通过具体的不同园林场景进行了比 较，分析各个软件在园林辅助设计中的适用性。因为这些软件并非专门为园林辅助设计 而研制，并且在园林辅助设计中需要的植物模型种类比较多，需要大量的乔木、灌木、 草本植物模型，同时还要满足树木随风飘动、树影变换等特殊要求。通过本论文的研究， 可以更加清楚的选择应用植物模型软件，满足园林辅助设计中对植物模型的要求。 研究植物模型建立具有深远的意义，应用计算机进行植物模型的建立是对景观研究 的进一步深化。植物模型是景观三维模型的重要组成，无论是用于计算机图形表现还是 虚拟现实，园林植物景观都是重要的，直接影响场景的真实性和自然氛围。当然，更深 层的植物模型研究，可以作为真正植物的替代，进行虚拟种植、生长和分析，更具有实 践和生态的意义。 1 5 研究方法和技术路线 1 s 1 研究方法 本文采用实例对比的方法来比较各个软件，通过对比找出更适合在园林辅助设计中 使用的植物模型建造软件。具体实例是两个园林场景，一个是别墅庭院的小场景，另一 个是山地森林的大场景。通过在两个场景中的植物模型的配置，在效果真实感，渲染时 间，建造时间，植物模型的物理表达性，场景面片和顶点数量，文件存储量，以及软件 本身的系统占用率，可操作性等方面进行具体数据的比较。 青岛农韭大学硕士学位论文植物模型在簸棒辅动设计串的应藤研究 1 5 2 研究路线 阙6 技术路线凰 f i g u r e6 t e c h n o l o g yc o u r s e 青岛农业大学硕士学位论文 植物模型在园林辅助设计中的应用研究 2 研究内容 2 13 d sm a x 的特点 3 d sm a x 作为世界上应用最广泛的三维建模、动画、渲染软件，完全满足制作高质 量动画、设计效果等领域的需要。通过3 d sm a x 在空间上的表达，不但使设计师能更好 的理解和扩充自己的设计思路，还可以更直观的将设计者的所设计的园林绿化景观韵全 貌及每个细节展现给观众。3 d sm a x 是工具，更是媒介，是设计师和观众之间的桥梁， 它通过自身的特点将人q 3 6 1 领入一个崭新的园林景观设计的新时空。 图73 d s m a x7 0 f 追73 d s m a x 7 0 2 1 1 方便快捷的建模功能 在3 d sm a x 里，可以创建形象丰富的二维和三维的基本物体，可以保留其参数或者 转化成其它的基本几何体，还可以用i m p o r t 工具可以轻松导入a u t o c a d 或l a n d s c a p e 等软件的图形m 捌。通过完整的工具可以直接或参数化完成创建曲线，多边形，多边形 网格物体，贝斯曲线面片或相关的n u r b s 表面；通过快速网格物体建模，可直接或过程 化建模，包括剪切、斜切、导角、分割、切片、平整、交互法线翻转和本地网格化。i s o 线的显示模式，使设计帅将注意力集中于创建模型拓扑结构，而无需注意图中生成的每 一个多边形。 2 1 2 丰富的纹理贴图 3 d sm a x 无限量的贴图混合给予材质编辑超强的能力。材质贴图浏览器使用图标层 1 4 青岛农鼗丈学硕士学位论文植物模型在闲林辅助设计巾的应用研究 次结构并采用拖放方式赋予材质。麓色效果包括a n i s o t r o p i c 、b l i n n 、p h o n g 、m e t a l 、 m u l t i l a y e r t 鞠。撵供了3 0 多种二绦秘三维程彦甄囤，多重u v w 菇匿，最多弼达鬟1 0 0 个贴图通道；通道可纂乎单个顶点和无限平面物体或者单个丽的世界贴图屡。贴图投影 方式包括：程序化、平蕊、圆柱、球删、方体，磁、收缩变形、相机和屏幕铸，直接使 焉扩展豹驻疆就霹软矮强工具淫整熬瀚熹。 2 1 3 绚丽的灯光处理 3 d sm a x 拥有照片级的i e s 照明系统控制方察，包括阴影、阴影颜色和强度、投影 塑像、对魄度、边爨鬃发、弱纯及衰减，逯过猿巍翡琢境先、散射色移毫光诞节，实现 物体表面级剐的照明调节，2 d 照明数据输出器( 2 dl i g h t i n gd a t ae x p o r t e r ) 可以将照 明分析数据保存为光学图形文件或t i f 格式。灯光类型包括发激光，自由方向及目标方 向点源，蠢由及曩标方翅乎彳亍光共支持嬲影，阴影颜色密度、投影图像、对技：度、边界 柔度、藏溺和衰减插伟洳+ 嘲。 2 1 4 摄像机设置 摄相机使用时无数量限制，参数设置中提供了业界标准参数，可精确实现摄相机匹 配功戆，保涯最终效莱，交互式圭| 鎏完成赘甥平嚣、攘拉摇移、程弱满节、撩捺覆藏、v e r t i g o 变焦、变焦和安全区鼹示，可在水平方向、垂直方向、对角线方向完成精细的位置对齐 操作，对难交投影提供了支持手段，大范围景深调节提供了视图预览模式，加速处理过 程。 2 1 5 出识的渲染效果 专 3 d si n a x 拥有灵活的多线程及自由配置的网络渲染。高级j ! 逝染选项包括照片质量景 深、为几鹰体优纯的d i s p l a c e m e n t 、2 彰3 d 运动摸嬲、体积必、火、爆炸、烟魏雾，使 后赣的赴瑾更简便容荔，使用丰富的背景平面工舞采和实拍场祭结合。包捂摄影祝授影 贴图，摄影机匹配及3 d 运动跟踪，渲染效果可避似实时地得到照片级渲染，包括模糊、 景深、发光、电影颗粒、镜头光斑和德彩校正。从环境中排除对象但对象仍然影响环境， 与m e n t a lr a y 酶连接，胃疆褥菇越孚怒象静渲染强像质量，凳合物瑾特蕊豹冀实先线 跟踪，漫反射及聚焦效果。有多种殿锯齿过滤效聚可以选择，包括a r e a ，b l a c k m a n ，c a t 眦l l ，s o f t e n 等提供对关键渲染过程控制的插件嶷持，包括反锯齿，着色效果，采样及 弱影汹删。 2 1 6 丰窝的扩展性 3 d s 黼x 的插件体系结构提供了近乎对任何系统的支持。捅件与核心代码的特征几 乎一撵，交磐荻出现黔 壬谤凌能，搜熬3 d sm a x 熬锤彝舨本瘩誉落伍。免费獭绑懿软终 开发工具( s 溉) 使得开发者可以定靠任何图形程序并提供5 蹶的核心代码。 1 5 青岛农业大学硕士学位论文 植物模型在园林辅助设计中的应用研究 3 d sm a x 的插件应该是三维软件中最丰富的。3 d sm a x 软件发展至今，已经趋向于 一个庞大的三维制作平台，本身的很多功能都在被插件取代，如果再不改变对插件的观 念，就会被飞速发展的新技术抛弃。早期的插件一方面种类少，另一方面功能不健全， 所以那时的人们宁愿用软件本身的功能去实现各种特殊的制作要求啪1 。如今插件随着软 件的升级也在不断升级，不好的被淘汰，好的越来越强，插件已经成为一个不可忽视的 力量。 插件分为两种：s t a n d a r dm a xp l u g i n s ( 标准插件) 和a d d i t i o n a lm a xp l u g i n s ( 附加插件) 。在3 d sm a x7 的安装目录下有两个文件夹，s t d p l u g s 和p l u g i n s ，其中 s t d p l u g s 文件夹用来存放标准插件，p l u g i n s 文件夹用来存放附加插件。各种类型的插 件的后缀名是不一样的，见表l 。 表1 插件种类 t a b l elp l u g - i nu n i ts p e c i e s 后缀名用途及出现的位置 d l o d l m d l r d l i ，d l e d u f l l d l u 特殊的模型创建命令，一般在创建面板中可以找到 提供特殊地修改功能，出现在修改面板的修改命令列表中 出众的渲染插件或是可以实现眩目效果的大气插件。 用于扩充m a x 对相应文件的导入，导出功能。 新的或是比较强的材质和贴图插件，出现在材质编辑器的材质和贴图列表中 可以在m a x 的v i d e o p o s t 窗口中添加新的滤镜效果。 属于特殊的工具范畴，一般在公用面板中可以找到。 3 d s l a x 还有其他诸多特点，但应用于园林绿化景观还以上述特点为主，并配合其 他软件的后期处理，就可以营造一个逼真的园林景观环境。 2 2a e cf o l i a g e 的特点 3 d sm a x 自带的植物模块可以方便的向场景中添加植物，模块在基本对象创建命令 面板的创建类型下拉列表中的a e ce x t e n d e d ( 建筑结构扩展) 选项，见图8 。 1 6 青岛农业大学硕士学位论文植物模型在园林辅助设计中的应用研究 图8 建筑结构扩展 f i g 8a e c e x t e n d e d 在f o l i a g e 创建命令面板中可以创建出各种植物模型，如树木，花草等，见图9 。 3 d sm a x 用生成网格的表示方法快速有效地创建漂亮的植物，并且可以控制h e i g h t ( 高 度) 、d e n s i t y ( 密度) 、p r u n i n g ( 修剪) 、s e e d ( 种子) 、v i e w p o r tc a n o p ym o d e ( 视口树冠 显示) 和l e v e l - o f - d e t a i l ( 细节级别) 。 s e e d ( 种子) 选项用于控制同一物种的不同表示方法的创建。可以为同一物种创建上 百万个变体，因此，每个对象都可以是唯一的。采用“视口树冠模式”选项，可以控制 植物细节的数量，减少3 d sn l a x 用于显示植物的顶点和面的数量。 图9f o l i a g e 创建的植物 f i g 9p l 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