（计算机应用技术专业论文）风场中森林的建模与仿真.pdf

独创性声明 | y i l l1 1 l1 7 i i l 5 ioii7iiii3 i i 攀 本人声明，所呈交的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。尽我所知，除了文中特矧j j j h 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，也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。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 明并表示了谢意。 签名： 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 1 1 、 研究生( 签名) ： 导师( 签名冻疼籀日期们nf 哆 r j 一 嗽 - ， - i j 丫- 嘲习j l k ? ； 、 0 - 、 ? i ， 摘要 在计算机图形学领域，动态森林场景的建模与绘制是一个重要的研究课题， 它在影视特技、计算机动画、军事仿真、虚拟现实等领域中都有广泛的应用。 与此同时，植被形态上的高度复杂性和基于物理模拟的巨大计算开销，使得动 态森林场景的模拟也是一个具有挑战性的课题。 本文首先介绍了风场中森林建模与仿真的背景和意义，综述了已有的树木 建模方法、森林的绘制与优化方法和风场中森林仿真等3 方面内容，并对这些 方法进行了分析和比较。然后，本文在以下几方面展丌了深入研究：基于空间 随机点的树木建模方法探讨，基于g p u 的树木在风中的物理动画，森林的建模 与绘制速度提升策略，风场中森林的仿真等。 本文的主要工作和创新点如下： 1 ) 应用目前树木建模的主流方法，生成的树木图形规则性强、相似度高， 不能很好地体现大自然树木的千姿百态。针对该问题，本文提出一种基于指定 树木分枝类型和空问随机点的树木建模算法，通过对空间随机点按一定策略添 加、删除和两两连接生成树木图形，并对该算法中涉及参数的用途和设置进行 了详细说明。采用迭代而非递归对算法进行了实现，实验证明，该算法能简便 地控制树木枝条的稀疏密集和光顺程度，且生成的树木图形克服了相似性过强 的不足。 2 ) 目前，树木在风中基于物理的动画方法计算开销过大，不适于实时模拟。 本文提出一种基于g p u 的树木与风场交互实时模拟方法。设计了基于g p u 的 树木分层结构模型，采用非均匀梁模型推导了挠曲线的表达式，并应用多项式 拟合提高表达式的计算效率，运用频谱分析法合成树枝在风中的运动。最后， 基于g p u 实现了在不同风力、风向下的树木物理动画，达到了实时目标。 3 ) 为了提高风场中森林场景真实感，在研究森林中风速衰减原理的基础上， 提出并实现了风速衰减系数预计算方案。根据风速衰减原理计算出森林中各树 木在不同风向上的风速衰减系数，并将其存储在纹理中，动态仿真时通过顶点 采样出各树木的风速衰减系数，用于估算森林中每棵树木所受风力大小。 4 ) 为了降低森林场景实时计算开销，提出了2 d v f c a 算法和设计了纹理查 表法。2 d v f c a 算法将传统的三维视景体裁剪转换在二维平面上进行：将世界 坐标系中视景体的8 个顶点投影到x o z 平面，计算视景体投影形成的最大凸包， 通过判断物体包围盒的投影顶点与最大凸包的关系达到裁剪目的。较之传统的 视景体剪裁方法，2 d v f c a 的裁剪效率得以大幅度提升。针对需要实时计算的 复杂函数，设计了纹理查表法，通过削元和函数与纹理的映射，将复杂函数的 高计算开销转换为快速的g p u 纹理采样，提高了计算速度。 5 ) 在以上研究的基础上，构建了风场中阔叶林仿真原型系统，验证了研究 成果的正确性和有效性。 关键词：树木；森林；风场；实时物理绘制；g p u 加速 j i 。l 。 l 0 l 碡 一 j o 1 a b s t r a c t t h em o d e l i n ga n dr e n d e r i n go fn a t u r a ls c e n e si sa l li m p o r t a n tr e s e a r c ht o p i c w h i c hp l a y sas i g n i f i c a n tr o l ei nc o m p u t e ra n i m a t i o n ，m i l i t a r ys i m u l a t i o n ，v i r t u a l r e a l i t y , s p e c i a le f f e c tf o rf i l ma n dt e l e v i s i o n ，e t c m e a n w h i l e ，t h ed y n a m i cn a t u r e s c e n e s ，e s p e c i a l l yt h es i m u l a t i o no fd y n a m i cf o r e s ts c e n e sh a sb e e nac h a l l e n g i n gt a s k ， m a i n l yd u et ot h eh i g hc o m p l e x i t yo ft h e i rs t r u c t u r e sa n dt h el a r g ec o m p u t a t i o n a l o v e r h e a do f p h y s i c s b a s e ds i m u l a t i o n t h i sd i s s e r t a t i o nf i r s t l yi n t r o d u c e st h eb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo ff o r e s t s m o d e l i n ga n ds i m u l a t i o ni nw i n df i l e d ，s u m m a r i z e st h ea l g o r i t h mo ft r e e s m o d e l i n g ， t h et e c h n i q u ef o rr e n d e r i n ga n do p t i m i z a t i o no ff o r e s t ，a n dt h es i m u l a t i o no ff o r e s ti n w i n df i e l d t h e n ，i n - d e p t hr e s e a r c hi sc a r r i e do u ta r o u n df o r e s t sm o d e l i n ga n d s i m u l a t i o ni nw i n df i e l d ，i n c l u d i n g ：t r e e s m o d e l i n ga l g o r i t h mb a s e do nr a n d o mp o i n t i ns p e c i a l i z e ds p a c e ，t r e e s p h y s i c a la n i m a t i o ni nw i n db a s e do ng p u ，t h es t r a t e g i e s f o r i m p r o v i n gf o r e s t sr e n d e r i n g a n df o r e s t ss i m u l a t i o ni nw i n d t h em a i n c o n t b u t i o n so ft h i sd i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w s ： 1 ) l s y s t e m s ，i f sa n df r a c t a lm e t h o da r et h ep r e v a i l i n gm o d e l i n gm e t h o d sf o r t r e e s ，b u tt h e i rg e n e r a t e dg r a p h sa r eo fs t r o n gs e l f - s i m i l a r i t ya n du n a b l et or e p r e s e n t t h ed i f f e r e n c e so fd if f e r e n tt r e e s b a s e do nt h eb r a n c h i n gt y p ea n ds t o c h a s t i cs p a c e p o i n t s ，an o v e lm o d e l i n gm e t h o df o rt r e e s a r ep r o p o s e d t h i sm e t h o dn o to n l y o v e r c o m et h ea b o v es h o r t c o m i n gb u ta l s oc a ne a s i l yc o n t r o lt h eb r a c h e s s m o o t hl e v e l a n dd e n s i t y e x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h er e s u l tg r a p h sa r et r u et on a t u r ea n dt h e m o d e l i n gm e t h o dc a n b ea p p l i e dt oc o m p u t e ra n i m a t i o n 2 ) t h ep r e s e n tm e t h o d su s e dt os i m u l a t et r e e s p h y s i c a la n i m a t i o ni nw i n dc o s t t o om u c ha n dd on o tf i tf o rr e a l t i m eo c c a s i o n s t h i sd i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e san o v e l r e a l t i m et r e ea n i m a t i o nm e t h o dt h a ti sb o t hs i g n i f i c a n t l yf a s t e ra n dm o r ep h y s i c a l l y p l a u s i b l et h a np r e v i o u sm e t h o d s t a k i n gp h y s i c a lm o d e lo fb r a n c h e sa sl i n e a r l y t a p e r e dc i r c u l a rb e a m ，i t sb e n d i n ge f f e c t i s a n a l y z e da n dt h ee x p r e s s i o no fi t s d e f l e c t i o nc u r v ei sd e r i v e d t oe n h a n c ec o m p u t a t i o n a le f f i c i e n c y , al e a s ts q u a r ef i ti s p e r f o r m e dt ot h ed e f l e c t i o nc u r v ee q u a t i o na n dt h e ni t sv a l u ei sp r e - c o m p u t e dt o 2 d t e x t u r ew h i c hi sa c c e s s e db yg p ur u n - t i m e t ob a l a n c et h el o a do nc p ua n d g p u ，w ed e s i g nah i e r a r c h i c a lt r e es t r u c t u r em o d e lt h a tt r a n s f e ra l lt h em e c h a n i c a l a n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o nt og p u ，m e a n w h i l e ，a v o i dt os e g m e n tab r a n c ht om o d e li t s d e f o r m a t i o n b e h a v i o r e x p e r i m e n t ss h o wt h a t t h ep r e s e n t e d m e t h o dc a nb e c o m p l e t e l yr e a l - t i m e ，r e a l i s t i c a l l ys i m u l a t et h et r e ei nw i n d ，s o l v i n gt h ep r o b l e mo f c u r r e n tm e t h o di nl i t e r a t u r et h a tc a n n o ts i m u l a t et h ep h y s i c a lr e a l t i m ea n i m a t i o no f t r e ei nw i n d 3 ) t oe n h a n c et h er e a l i t yo ff o r e s t ，p r e - c a l c u l a t e dw i n da t t e n u a t i o nc o e f f i c i e n t s t r a t e g yi sp r o p o s e da n di m p l e m e n t e da f t e rs t u d y i n gt h ep r i n c i p l eo fw i n ds p e e d d e c a y a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo fw i n dd e c a y , c a l c u l a t et h ea t t e n u a t i o nc o e f f i c i e n t o fe v e r yt r e ei nd i f f e r e n tw i n dd i r e c t i o na n dt h e ns t o r ei ti n s p e c i a lt e x t u r e i n r e a l t i m es i m u l a t i o n ，s a m p l ee v e r yt r e e sa t t e n u a t i o nc o e f f i c i e n tt oe s t i m a t et h ev a l u e o fw i n df o r c ew h i c hd e t e r m i n e st r e e sm o v e m e n t a m p l i t u d e 4 ) t or e d u c et h ec o s to fr e a l t i m ec o m p u t a t i o no ff o r e s ts c e n e ，t h e2 d v f c a a l g o r i t h ma n dt e x t u r el o o k u pm e t h o da r ep r e s e n t e d 2 d - v f c ac o m p l e t e sf r u s t u m c u l l i n gi n2 ds p a c eu n l i k et r a d i t i o n a lv i e wf r u s t u mc u l l i n gi n3 ds p a c e ：f i r s t l y , c o m p u t et h ee i 【g h tp o i n t so fv i e wf r u s t u mi nw o r l dc o o r d i n a t i o n s e c o n d l y , a d o p t i m p r o v e dm e l k m a na l g o r i t h mt oc a l c u l a t et h el a r g e s tc o n v e xp o l y g o no ft h ep r o j e c t e d a r e ao f v i e wf r u s t u mi nx o zp l a n e t h i r d l y , j u d g ew h e t h e rt h ep r o j e c t e da r e ao f a a b bb o u n d i n gb o xo fe v e r yo b j e c ti si nt h el a r g e s tc o n v e xp o l y g o n ，i ft r u e ，t h e o b j e c ti si nt h ev i e wf r u s t u ma n dv i c ev e r s a c o m p a r e dt ot r a d i t i o n a lv i e wf r u s t u m c u l l i n gm e t h o d ，o u rp r e s e n t e dm e t h o di sf o u rt i m e sf a s t e ra n dc a nb ea p p l i e dt o r e a l t i m er e n d e r i n go fl a r g es c e n e f o rc o m p l e xm u l t i v a r i a t e f u n c t i o no ng p u ， t e x t u r el o o k u pm e t h o di sd e s i g n e dt oe n h a n c ec o m p u t a t i o n a le f f i c i e n c y r e c o n s t r u c t t h ec o m p l e xm u l t i v a r i a t ef u n c t i o nt os e v e r a lt w o - v a r i a b l ef u n c t i o n sa n dt h e nm a p t h e mt od i f f e r e n t2 dt e x t u r e s w h e nr e a l t i m er u n n i n g , o n et e x t u r es a m p l i n gr e s u l t m a ya c ta st e x t u r ec o o r d i n a t ef o ra n o t h e rt e x t u r ea n dt h ef i n a lr e s u l to fm u l t i v a r i a t e f u n c t i o ni so b t a i n e db yl a s tt e x t u r es a m p l i n g e r r o ra n a l y s i sa n dt e x t u r es e t t i n ga r e a d d r e s s e di nd e t a i lt om a k et h ep r o p o s e dm e t h o de a s yt ob ei m p l e m e n t e d e l i m i n a t i n g t h eh i g h c o m p u t i n go v e r h e a do fc o m p l e xm u l t i v a r i a t ef u n c t i o n , t h er e a l t i m e c o m p u t a t i o no ft e x t u r el o o k u pm e t h o di so n l yc o n c e r n e dw i t hs a m p l i n gf r e q u e n c y c o n s e q u e n t l y , t h ep r o p o s e dm e t h o dc a n b e a p p l i e dt oc o m p u t a t i o n - i n t e n s i v e s e e n a o s i v 气 ，l 1 一 一、 h 5 ) o nt h eb a s i so fa b o v er e s e a r c h ，p r o t o t y p es y s t e mo f f o r e s t ss i m u l a t i o ni nw i n d i sb u i l t ，w h i c hv 嘶母t h ec o r r e c t n e s sa n dv a l i d i t yo f r e s e a r c hr e s u l t s k e yw o r d s ：t r e e s ；f o r e s t s ；w i n df i e l d ；r e a l t i m ep h y s i c a lr e n d e r i n g ；g p u a c c e l e r a t i o n v l l t 目录 第1 章绪论1 1 1 研究背景及意义l 1 2 国内外研究现状与分析2 1 2 1 树木建模方法一2 1 2 2 森林的建模与绘制2 1 2 3 风场中森林仿真7 1 3 本文主要研究内容8 1 3 1 研究目标8 1 3 2 研究内容8 1 4 本文的组织结构1 0 第2 章基于空间随机点的树木建模方法的探讨1 2 2 1 引言1 2 2 2b l t s p 算法1 3 2 3 分枝类型的指定1 4 2 3 1 方法概述1 5 2 3 2 方法示例1 5 2 4 分枝连接处裂隙的缝合1 6 2 5 算法实验及分析1 8 2 5 1 算法实现1 8 2 5 2 树木稀疏及光顺程度控制j 1 9 2 5 3 算法分析2 0 2 6 总结2 l 第3 章基于6 p u 的树木对风响应实时模拟2 2 3 1 引。言2 2 3 2 相关工作2 2 3 3 基于g p u 的树木结构模型提出2 4 3 4 风力模型2 6 3 5 力学模型2 7 3 5 1 基本假定2 7 3 5 2 非均匀梁模型2 7 v l 3 5 3 多项式拟合提高计算效率2 9 3 5 4 树枝变形计算3 2 3 6 树枝运动模拟3 4 3 6 1 树枝的阻尼运动3 4 3 6 2 树枝运动的振幅3 6 3 6 3 风力风向对运动幅度的影响3 7 3 7 实验与分析3 7 3 7 1g p u 加速的实现3 7 3 7 2 树木在风场中的实验4 0 3 8 总结4 4 第4 章中远景树木物理绘制研究4 5 4 1 引言4 5 4 2 相关工作4 5 4 3 几何细节层次的设计4 6 4 4 运动细节层次的设计4 9 4 5 实例化技术5 0 4 5 1 实例化技术对比分析5 0 4 5 2 树木h a r d w a r ei n s t a n c i n g 设计5 1 4 6 阴影5 2 4 6 1 阴影体算法和阴影映射算法5 2 4 6 2 森林场景阴影需考虑的问题5 3 4 6 3 森林阴影绘制策略5 3 4 7 总结5 5 第5 章风场中森林的仿真5 6 5 1 引言5 6 5 2 风速衰减的预计算方案5 6 5 2 1 风速衰减原理概述5 6 5 2 2 风速衰减预计算方案5 8 5 2 3 风力“延迟 效应模拟6 l 5 32 d v f c a 算法提出6 l 5 3 12 d - v f c a 算法6 2 5 3 2 计算量对比分析6 7 v i i 5 4 绘制性能的改进6 9 5 4 1 项点着色器的优化纹理查表法6 9 5 4 2 基于缓冲环的图像平滑绘制方法7 4 5 4 3 渲染顺序优化7 6 5 5 基本框架设计7 7 5 5 1 摄像机7 7 5 5 2 天空7 9 5 5 3 地形8 0 5 6 实验8 2 5 7 总结8 7 第6 章总结与展望8 8 6 1 本文工作总结8 8 6 2 未来工作展望8 9 参考文献9 0 致谢9 8 攻读学位期间参与的项目和发表的论文9 9 图表附录1o o v i i i 飞 j k ， 武汉理t 人学博士学位论文 1 1 研究背景及意义 第1 章绪论 在世界各地，在平原山川，到处都覆盖着各种各样的树木、森林。由大量 树木构成的复杂森林场景的快速绘制是计算机图形学和虚拟现实领域的重要研 究课题，在计算机辅助设计、战场可视化、建筑漫游、驾驶模拟、虚拟仿真和 游戏娱乐等众多领域都有着非常重要的应用。动态森林场景的模拟对于提高虚 拟场景的沉浸性、交互性和构想性起着至关重要的作用，是突破场景真实感的 决定性因素之一。 近几年，随着计算机硬件技术的迅速发展，目前主流图形处理硬件的多边 形处理能力已经达到每秒钟千万量级。然而，随着计算机图形技术的实用化， 特别是随着三维扫描设备精度的逐步提高和图形建模技术的发展，森林三维场 景的规模与复杂度不断增大，包含上千万多边形面片的树木模型在实际应用中 越来越常见，如果要以3 0 帧秒的速度对这些复杂场景进行交互绘制，那么就需 要每秒钟处理数十亿甚至百亿的多边形面片，其计算量非常庞大，即使目前先 进的图形处理硬件也难以满足要求。因此，森林场景的实时绘制方法成为目前 研究的一个热点问题，引起了越来越多研究者的重视。 通过研究自然场景仿真现状发现：静态场景的真实感和绘制效率随着图形 处理器的发展而不断提升，目前的研究兴趣正逐步从宏观结构向表面细节转移， 从静态场景渲染向动态模拟转移。然而，以计算机为工具模拟并展现树木的动 态行为有着众所周知的困难。简单的变化后面通常蕴含着复杂的物理或生理规 律，对一个动态过程的仿真涉及到诸多力学或生物学原理。 本课题研究森林场景的建模与绘制方法，并且基于物理模型对风场中树木 的动态效果进行仿真。通过研究场景复杂性与人类视觉感知规律等相关因素的 内部联系，探究在图像真实感与绘制速度之i 、日j 折衷的有效方法。应用力学知识， 研究实用的风场模型，分析复杂结构树木在风中的受力，并将其应用于风场中 树木运动响应的实时物理绘制，为场景中森林的可视化和动态模拟提供有效的 技术支撑。 武汉理，l ：人学博十学位论文 1 2 国内外研究现状与分析 根据研究内容，分别从3 个方面概述目前国内外的研究现状。 1 2 1 树木建模方法 以树木为对象的计算机建模方法主要有2 大类：基于图像的建模方法和基 于几何参数的建模方法。 1 ) 基于图像的建模方法 基于图像的建模方法是利用图像来恢复出物体的几何模型。以2 0 0 6 、2 0 0 7 年的s i g g r a p h 会议【1 2 】上发表的两篇关于基于图像的树木建模为代表的文章 反映了基于图像建模技术在植物方面的研究进展。基于图像建模的方法使崩源 于现实的植物图像照片，能达到基于植物本身的建模要求，具有真实感强、自 动化程度高的优点。但是，由该方法所建立的模型，局限于用户建模时所采用 的图像，而且视点在虚拟场景中的位置受到一定的限制。如果想获得完全自由 的视点，必须做到“移步换景”，需要采集大量的真实场景照片来处理，这也 是该方法的瓶颈所在。 2 ) 基于几何参数的建模方法 基予几何参数的建模方法则以l 系统【3 州和粒子系统【5 】为代表。l 系统从公 理出发，以产生式为准则进行不断的迭代直至达到指定的次数，它在单棵植物 建模方面有着广泛的应用，但是如果将其应用到森林场景中的大量树木建模，l 系统有如下不足之处：( 1 ) 产生的中间字符串数据量大，字符串解析时间长1 6 , 7 ； ( 2 ) 针对特定树木形态设计l 系统代码比较困难；( 3 ) 由于是基于产生式的 递归迭代，全局控制非常困难。 在树木建模方面，粒子系统是以粒子单元的扩展来构造树木的空间与时间 上的发生形态，因此不适合于表现个体植物的拓扑及形态，用于比较宏观地模 拟森林、草丛一类景象的远景。粒子系统构造的树木有比较明显的人工痕迹， 而且光照效果无法根据客观事实严格计算，因此在造型效果上缺乏高度真实感。 1 2 2 森林的建模与绘制 大规模场景、大数据量森林景观的实时绘制是目前计算机图形学领域的研 究热点之一。为解决森林绘制的实时性与绘制结果真实感之问的冲突，不少学 2 l t - ， 武汉理：l 人学博士学位论文 者提出了相应的加速绘制和增强绘制效果的处理方法。这些文献可归纳为绘制 方法和绘制优化方法两个方面。 。 1 2 2 1 森林的绘制方法 根据绘制基元的不同，森林绘制技术可分为3 类：基于l o d 的绘制技术、 基于图像的绘制技术和点绘制技术。 1 ) 基于l o d 的绘制技术 基于l o d 的绘制技术是虚拟环境绘制的主要方法之一。w e b e r 等( 1 9 9 5 ) 8 】 建立了一个专门用于树木表达的启发式多分辨率模型。m a s h a l l 等( 1 9 9 7 ) 9 】建立了 一个多分辨率系统用来绘制复杂的随机参数化植物模型，将大对象的多边形表 达与次要部位四面体近似表达相结合。p e r b e t 等( 2 0 0 1 ，2 0 0 3 ) 1 0 , 11 】使用具有三个 层次的l o d 来绘制草，当相机移开时上次绘制的草模型几何数据立即删除。 d i g i a c o m o 等( 2 0 0 1 ) 1 2 1 扩展了上述思想，并应用于模拟树木。m u c h 等( 2 0 0 4 ) 【1 3 】 在处理树叶的真实感实时绘制时，采用树体轮廓内6 片纹理按对角排列和a l p h a 缝合法，以克服不同l o d 层次间过渡时出现纹理“突变”或不平滑现象。 针对多分辨率简化绘制模型难于保持树木特性的不足，l l u c h 等【1 4 】基于参数 化l 系统，提出了一个过程式多分辨率模型，实现树木几何简化和结构的可视 化表达。 r e m o l a r 等( 2 0 0 2 ) 1 5 】提出一种树叶简化算法来减少多边形数量。在预处理阶 段，该算法把两个相邻树叶合并后用新树叶代替，建立所有树叶的层次二叉树 结构，在绘制时根据视点，从该结构中选择出合适的树叶。该算法在获得树木 的整体形态同时，有效地减少了树叶的多边形数量，但选择树叶的工作十分耗 时，绘制效率不高。采用该算法在不同的l o d 层次简化树叶后的效果如图1 1 所示。 囊懿懿 图l l叶子崩塌算法产生的结果图【1 5 】( 左为原图，中间和右边的为简化后结果) 针对传统视点独立的离线简化算法无法用于树叶的表达，r e m o l a r 等 3 武汉理t 大学博士学位论文 ( 2 0 0 3 ) 1 6 】提出了视点依赖( v i e w d e p e n d e n t ) 的多分辨率模型。 q i n g q i o n gd e n g 等( 2 0 0 7 ) d 7 1 针对松类植物，构建了一种连续l o d 模型。该 模型由多分辨率的圆柱和半透明的线段组成。当针叶比像空问的一个像素还宽 时，使用圆柱来表示；反之，使用线段。线段的透明性用于表示针叶子像素细 节。此外，在像空问线段太细时则合并为一条线段，当松树远离观察者时，线 段数量减少。 h i l b e r t 等( 2 0 0 4 ) 1 8 】提出了一种混合绘制方法( 混合基于几何的绘制技术和基 于图像的绘制技术) 的l o d 。该方法假设场景中的每个对象都由纹理化的多边形 网格组成，在预处理阶段为场景中每个对象生成连续的多分辨率模型。 使用l o d 技术能提高绘制效率和增强绘制结果的真实感，但是如何结合树 木建模方法和动态场景模拟，设计一款高效实用的树木l o d 方案是一项值得研 究的课题。 2 ) 基于图像的绘制技术 基于图像的绘制( i b r ) 技术是一种提高绘制效率的有效途型四l 。i b r 可分为 三类：传统的图像绘制、体纹理绘制和b i l l b o a r d 及相关扩展的绘制。 传统的图像绘制技术因绘制时f h j 复杂度和内存开销不受实体复杂度的影 响，只与结果分辨率有关，因此适合于像树木和植物这样复杂对象的绘制【2 叩。 但是，存在诸如缺乏数据，因原始图像导致产生的图像不连续，难于更新原始 图像等缺陷。 k a j i y a 等( 1 9 8 9 ) 2 2 j 提出一种体纹理的绘制方法，该方法可以克服纹理贴图多 边形缺陷。采样获得的体纹理为纹元( t e x e l ) ，记录了颜色、法向量、光线反射属 性等信息。m e y e r 和n e y r e t ( 1 9 9 8 ) 2 3 】将植被的体纹理转化成一系列的二维纹理切 片，然后以纹理映射方式，从后向前绘制。对于非常高大的树木，根据准则设 置的切片数量将会很多，导致采样的纹理数据太大，甚至超过显存容量而无法 快速绘制。因此，该方法主要应用于灌木这种比较低矮的植被。d e c a u d i n 等 ( 2 0 0 4 ) t 2 4 】对森林进行大幅度地简化，使用体纹理来构造森林，从而达到了实时绘 制的目的。该方法的局限性有以下两点：第一，体纹理是假设植物的覆盖具有 纹理特点，即建模时不能准确的控制指定的某棵树：第二，纹理的另一个特点 是连续覆盖每一个物体，如果地形中有悬崖则纹理映射时需做相应的裁剪。 d e c o r e t 等( 2 0 0 3 ) 2 5 j 提出了一种扩展的b i l l b o a r d ，称作b i l l b o a r dc l o u d s ，包 含多个方向的b i l l b o a r d 。使用贪心算法调整每个b i l l b o a r d 的空问位置，使 b i l l b o a r dc l o u d s 能够更好地逼近植被，如图1 2 所示。g a r c i a 等( 2 0 0 5 ) 皿6 j 采用 4 武汉理i 大学博十学位论文 b i l l b o a r dc l o u d s 绘制了大量树木。在d e c o r e t ( 2 0 0 3 ) 和g a r c i a 等人( 2 0 0 5 ) - i - _ 作的 基础上，f u h r m a n n 等( 2 0 0 5 ) 【27 】对采用b i l l b o a r dc l o u d s 的绘制方法进行了扩展， 简化了b i l l b o a r d 生成算法，最终由1 5 2 0 个纹理多边形来表示一棵树模型。 b i l l b o a r dc l o u d s 绘制具有较强的真实感，但由于植被结构复杂，需要较多的 b i l l b o a r d ，每个b i l l b o a r d 对应一块纹理，因此需要的纹理空间很大，此外，该 方法不适于风场中树木的动态效果模拟。 誉慧。 雾，jl j 篓蔫 镪蘸 辚凄嚣铲 图1 2 b i l l b o a r dc l o u d s 方法基本思想1 2 习 3 ) 点绘制技术 点绘$ 1 ( p o i n tb a s e dr e n d e r i n g ，p b r ) 是从基于图像的绘制中发展起来的一项 技术，与传统的基于面的绘制技术区别是，绘制元素不再足多边形面片，而是 离散的表面采样点，绘制中也不需要这些采样点的连接关系。 l e v y o 和w h i t t e d ( 1 9 8 5 ) t 2 8 】首先使用多分辨率的点模型表示复杂物体，之后 逐渐引起人们的关注【2 9 , 3 0 , 3 1 】。为了利用点单元进行绘制，需要对输入模型进行采 样，获得离散的点集，再组织成层次树的结构。但是采样点集的分布情况，会 直接影响点模型与原始模型的逼近精度与绘制效率。为此，s t a m m i n g e r 等 ( 2 0 0 1 ) t 3 2 】提出了一种压的点采样法则，对于结构复杂的物体采样时，能够获得 分布理想的点集。使用该法则对树木进行采样，建立点单元的层次结构，并在 绘制时进行视域剔除与点选择操作，从而能够交互式绘制1 0 0 0 棵树的自然场景。 当视点距离点模型比较近时，将需要大量的点用于绘制，此时的效率可能 比使用多边形面片更低。针对这一问题，g i l e t 等r ( 2 0 0 5 ) t 乃j 提出了一种多边形 与点模型相结合的方法来绘制树木，提高了绘制效率。绘制时，使用几何面片 直接绘制离视点较近的树木，而较远的树木通过点绘制算法来完成。 w a n d 等( 2 0 0 1 ) 【3 4 】提出了随机z b u f f e r 算法，采用近似的方法绘制出大规模 场景。该算法对投影面积较大的多边形直接绘制，对投影面积小的多边形进行 武汉理i ：人学博士学位论文 随机点采样，并进行插值，以填满整个屏幕画面。该算法的不足是：由于随机 选择绘制点，前后帧选择的点可能不一样，此时会出现画面的闪烁现象，严重 影响了绘制质量。 基于面的绘制技术中，植被包含大量的多边形面片，在绘制时需要进行光 栅化操作，计算代价比较高，而使用点表示植被则可以跳过这一过程，绘制效 率大为提高。但是难点在于，初始采样点的数量往往很大，直接绘制难以达到 交互速度，必须进行简化和建立层次关系。 1 2 2 2 绘制优化方法 由于表达自然森林场景的几何数据容量大大超过计算机处理能力，如何采 用合适的加速绘制和增强绘制效果的技术便成为众多学者研究的对象。这些技 术方法中主要有：实例化和基于g p u 的绘制。 1 ) 实例化技术 实例化是一个有效的加速绘制措施。场景中多次使用的对象只需定义一次， 以后便可经过仿射变换调整大小和变形处理达到多次出现( 实例) 。 d e u s s e n 等( 1 9 9 8 ) ”】采用实例化方法降低了场景几何复杂性，其中树木群组、 单棵树木、树木器官均可看成森森景观的不同层次实例。由于表达变换所需要 的空间很小，因此整个场景占用的空间主要取决于不同对象类型的数量和复杂 性，而不是实例数量。g u e r r e r o ( 2 0 0 6 ) 3 6 1 、z a m u d a 等( 2 0 0 7 ) 37 1 、c a n d u s s i 等( 2 0 0 5 ) 3 8 】 在绘制大场景时都采用