風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的一個重要研究方向，在各個領域的應用越來越廣泛。隨著計算機硬件和圖形學算法的發(fā)展，計算機動畫不斷向著高質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計算的方法減輕實時計算量，但是預計

2、算在處理大量樹木時會占據大量的存儲空間。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果，但是物理計算會消耗大量的計算資源，所以很難應用到大規(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，我們以森林氣象學的相關知識為基礎，結合前面研究者對于單

3、棵樹木運動的研究，提出了風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經驗公式，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用到森林場景中時的LOD方法，并模擬了單棵樹木在風場作用下的

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噪聲函數為基礎的隨機模型。
　　（2）提出了基于森林氣象學的大規(guī)模森林場景的實時動態(tài)計算模型，模擬了平原地區(qū)森林場景在風場作用下的實時動畫。首先以森林氣象學的相關公式為基礎建立了曠野中的風場模型，然后研究了樹木對風場的衰減作用以及風場自身的恢復作用，最后以上面的研究為基礎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)森林場景在風場作用下的實時動畫。研究了山地地區(qū)的風場分布規(guī)律，并建立起了山地地區(qū)風場分布與平原地區(qū)風場分布的相互轉化方法。通過在平原地區(qū)計算方案的基礎上進行的修改，我們最終實現了山區(qū)森林場景的實時動畫。
　?。?）通過對比試驗說明了樹木對風場的影響，并分別實現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，風場計算時間在2ms以下，動畫模擬幀率也在15 FPS之上