基于L系統(tǒng)的三維樹(shù)模擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).pdf

1、樹(shù)木是自然場(chǎng)景的重要組成部分,其模擬算法的研究一直都是個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題。樹(shù)的外部形態(tài)是其自身生理規(guī)律和環(huán)境因素相互作用的結(jié)果,要模擬出形態(tài)逼真的樹(shù),不僅要對(duì)其形態(tài)進(jìn)行精確的建模和繪制,還要考慮環(huán)境因素對(duì)樹(shù)行為特性的影響。運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和虛擬現(xiàn)實(shí)的技術(shù)和方法來(lái)定量化、可視化地描述樹(shù)的形態(tài),并開(kāi)發(fā)出相應(yīng)的軟件和交互平臺(tái),通過(guò)視覺(jué)體驗(yàn)和人機(jī)交互的方式來(lái)模擬出更逼真的三維樹(shù),具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和廣闊的應(yīng)用前景。
　　近些年來(lái),三維樹(shù)的模擬取得

2、了很多顯著的成果。但由于樹(shù)木的形態(tài)復(fù)雜且種類(lèi)繁多,其造型、存儲(chǔ)及繪制都有相當(dāng)?shù)碾y度。現(xiàn)有模擬方法缺乏普適性、交互性,不能滿(mǎn)足樹(shù)木形態(tài)千變?nèi)f化的需求,真實(shí)感有待加強(qiáng);再者,這些方法沒(méi)有很好地將樹(shù)木的地上部分和地下部分很好地結(jié)合起來(lái)。
　　L系統(tǒng)是模擬植物的經(jīng)典方法,論文著重介紹了L系統(tǒng)的基本算法。通過(guò)對(duì)已有的樹(shù)木模擬算法進(jìn)行研究和分析,探討出一種基于三維分枝模型的改進(jìn)算法。該算法首先將樹(shù)木的結(jié)構(gòu)分為四個(gè)層次:樹(shù)葉、葉序、樹(shù)干、樹(shù)根,

3、利用樹(shù)木的自相似原理建立樹(shù)木的層次模型;然后將重力對(duì)樹(shù)木形態(tài)的影響加入模型中,根據(jù)材料力學(xué)原理,將每根樹(shù)枝分成多個(gè)小片段,并將每一段樹(shù)枝看作懸臂梁,實(shí)現(xiàn)了彎曲樹(shù)枝的模擬。論文運(yùn)用隨機(jī)參數(shù)L系統(tǒng)進(jìn)行樹(shù)的建模,解決了算法的普適性和樹(shù)木形態(tài)的多樣性問(wèn)題。為了使三維樹(shù)模擬系統(tǒng)具有更大的靈活性,算法將影響樹(shù)形態(tài)的相關(guān)屬性提取成相應(yīng)參數(shù),用戶(hù)使用該系統(tǒng)時(shí),只需要輸入相應(yīng)參數(shù)就可以隨意修改并模擬樹(shù)的形態(tài),實(shí)現(xiàn)了可根據(jù)用戶(hù)需求隨意控制樹(shù)形態(tài)的功能。由于

4、用傳統(tǒng)的L系統(tǒng)生成樹(shù)圖形時(shí),編程繁瑣、執(zhí)行效率低、交互性差,故論文采用JAVA結(jié)合基于虛擬現(xiàn)實(shí)建模語(yǔ)言(X3D)作為編程語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)交互式L系統(tǒng)算法,另一方面,為了方便用戶(hù)以及更好地分享該系統(tǒng),論文采用Struts2框架實(shí)現(xiàn)了該系統(tǒng)的界面部分,并給出了常見(jiàn)樹(shù)形態(tài)的參數(shù)默認(rèn)值。
　　模擬結(jié)果表明,采用上述改進(jìn)算法建立的樹(shù)木模型,能將樹(shù)的地上部分與地下部分有機(jī)地結(jié)合起來(lái),能較好地表現(xiàn)樹(shù)木的空間特性、趨光性和屈地性,樹(shù)木形態(tài)具有較高的真實(shí)