尽可能真实再现自然场景已经成为计算机图形学的一个主要研究领域。在过去的几十年中,计算机技术已经发展到可以常规的创建相对复杂的场景的程度。许多城市的可视化应用项目以及一些游戏已经能够获得高质量的真实感。然而,在作为自然场景研究领域中不可或缺的一部分的植物体研究方面,研究成果却不是那么让人满意。本文主要研究的是树木建模与交互式渲染系统中树木的三维建模与交互式渲染的关键技术的实现,目的是在树木建模交互系统中能够实现树木的三维建模,以及在此基础上对风场进行建模,根据风场的模型进行树木模型的模拟动画计算,从而获得更为真实的与风场交互的动画效果,使得自然场景更加形象,有沉浸感。而在研究与实现过程中遇到了各种各样的困难和问题,在对于自然界中复杂的树木结构需要使用一种更为贴近真实效果的塑造方法,本文深入研究了基于分形的建模方法,以树木结构的分层特征作为出发点,利用和改进L系统对树木模型进行模型塑造,获得较为真实的树木模型;在计算模拟树木动画计算方面,由于比较真实的树木模型的面片数很大,在进行树木动画计算时,计算量巨大,这样直接影响到更新速度,使得帧数下降,所以必须寻求一种真实感与渲染效率折中的方案。在真实感的要求方面,本文从基于物理的计算出发开始研究,使用结构力学相关公式进行简化计算,从而获得人们视觉可以接受的渲染效果。作为一个整体系统,我们需要一个详尽的树木模型,又希望能够在计算模拟动画中获得真实的计算,还要满足人们对每秒帧数的要求。这也就是问题的根源,如何提高效率。在实现中我们通过分层化的管理树木模型的节点数据,对于需要不更新的数据进行了剔除,以及采用基于GPU的计算方式进行优化渲染,来解决这一问题。最终,本文实现了树木的三维建模与交互式渲染系统,其中研究了树木建模与交互式渲染的技术背景,对项目进行了实际需求分析,对树木建模关键技术和算法做了研究和改进,针对风场进行建模,以及对交互式渲染关键算法和技术进行了研究和实现。
