風(fēng)場(chǎng)作用下的森林場(chǎng)景的實(shí)時(shí)動(dòng)畫(huà)研究.pdf

1、計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)作為計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的一個(gè)重要研究方向，在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。隨著計(jì)算機(jī)硬件和圖形學(xué)算法的發(fā)展，計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)不斷向著高質(zhì)量和高效率的方向進(jìn)步。
　　戶外場(chǎng)景的實(shí)時(shí)動(dòng)畫(huà)模擬是計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)的一個(gè)研究熱點(diǎn)，而森林場(chǎng)景作為最經(jīng)常使用的戶外場(chǎng)景之一，許多研究者都對(duì)其動(dòng)畫(huà)模擬進(jìn)行了研究，并取得了很多研究成果。由于森林是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)，所以實(shí)時(shí)模擬會(huì)給計(jì)算機(jī)帶來(lái)巨大的計(jì)算壓力，部分研究者提出了使用預(yù)計(jì)算的方法減輕實(shí)時(shí)計(jì)算量，但是預(yù)計(jì)

2、算在處理大量樹(shù)木時(shí)會(huì)占據(jù)大量的存儲(chǔ)空間。一些研究者提出了完整的實(shí)時(shí)計(jì)算方案，但是他們把每棵樹(shù)木都當(dāng)成了完全獨(dú)立的個(gè)體進(jìn)行考慮，沒(méi)有計(jì)算樹(shù)木之間的相互影響。還有研究者使用了嚴(yán)格的物理計(jì)算模擬樹(shù)木運(yùn)動(dòng)，在單棵樹(shù)上可以得到非常逼真的模擬結(jié)果，但是物理計(jì)算會(huì)消耗大量的計(jì)算資源，所以很難應(yīng)用到大規(guī)模的森林場(chǎng)景之中。目前，森林場(chǎng)景的實(shí)時(shí)動(dòng)畫(huà)模擬仍然是一個(gè)值得研究的問(wèn)題。
　　針對(duì)這些問(wèn)題，我們以森林氣象學(xué)的相關(guān)知識(shí)為基礎(chǔ)，結(jié)合前面研究者對(duì)于單

3、棵樹(shù)木運(yùn)動(dòng)的研究，提出了風(fēng)場(chǎng)作用下的森林場(chǎng)景的實(shí)時(shí)動(dòng)畫(huà)模擬的計(jì)算方案。由于本套方案采用了大量的森林氣象學(xué)經(jīng)驗(yàn)公式，因此相對(duì)于嚴(yán)格的物理仿真方法具有更高的計(jì)算效率，同時(shí)考慮了樹(shù)木位置對(duì)于整體風(fēng)場(chǎng)的影響，相較于原來(lái)的計(jì)算方案，更能反映真實(shí)的物理場(chǎng)景。具體而言，本文的主要研究工作和成果包括：
　?。?）實(shí)現(xiàn)了單棵樹(shù)的建模與運(yùn)動(dòng)。使用分形法建立了單棵樹(shù)木的模型，提出了把這種模型應(yīng)用到森林場(chǎng)景中時(shí)的LOD方法，并模擬了單棵樹(shù)木在風(fēng)場(chǎng)作用下的

4、運(yùn)動(dòng)，樹(shù)枝的運(yùn)動(dòng)采用了彈簧模型，樹(shù)葉運(yùn)動(dòng)采用了以1/fβ噪聲函數(shù)為基礎(chǔ)的隨機(jī)模型。
　?。?）提出了基于森林氣象學(xué)的大規(guī)模森林場(chǎng)景的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)計(jì)算模型，模擬了平原地區(qū)森林場(chǎng)景在風(fēng)場(chǎng)作用下的實(shí)時(shí)動(dòng)畫(huà)。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(chǎng)模型，然后研究了樹(shù)木對(duì)風(fēng)場(chǎng)的衰減作用以及風(fēng)場(chǎng)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(chǎng)景的實(shí)時(shí)動(dòng)畫(huà)計(jì)算方案。
　?。?）對(duì)大規(guī)模森林場(chǎng)景的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)計(jì)算模型進(jìn)行改進(jìn)，添加

5、地形的影響因子，模擬了山區(qū)森林場(chǎng)景在風(fēng)場(chǎng)作用下的實(shí)時(shí)動(dòng)畫(huà)。研究了山地地區(qū)的風(fēng)場(chǎng)分布規(guī)律，并建立起了山地地區(qū)風(fēng)場(chǎng)分布與平原地區(qū)風(fēng)場(chǎng)分布的相互轉(zhuǎn)化方法。通過(guò)在平原地區(qū)計(jì)算方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行的修改，我們最終實(shí)現(xiàn)了山區(qū)森林場(chǎng)景的實(shí)時(shí)動(dòng)畫(huà)。
　?。?）通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)說(shuō)明了樹(shù)木對(duì)風(fēng)場(chǎng)的影響，并分別實(shí)現(xiàn)了平原和山地地形上的不同規(guī)模的森林場(chǎng)景動(dòng)畫(huà)模擬，并測(cè)試了運(yùn)行效率。對(duì)于1000棵樹(shù)的場(chǎng)景，風(fēng)場(chǎng)計(jì)算時(shí)間在2ms以下，動(dòng)畫(huà)模擬幀率也在15 FPS之上