基于L系統(tǒng)的三維樹模擬系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn).pdf

1、樹木是自然場景的重要組成部分,其模擬算法的研究一直都是個熱點(diǎn)問題。樹的外部形態(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,不僅要對其形態(tài)進(jìn)行精確的建模和繪制,還要考慮環(huán)境因素對樹行為特性的影響。運(yùn)用計算機(jī)圖形學(xué)和虛擬現(xiàn)實(shí)的技術(shù)和方法來定量化、可視化地描述樹的形態(tài),并開發(fā)出相應(yīng)的軟件和交互平臺,通過視覺體驗(yàn)和人機(jī)交互的方式來模擬出更逼真的三維樹,具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和廣闊的應(yīng)用前景。
　　近些年來,三維樹的模擬取得

2、了很多顯著的成果。但由于樹木的形態(tài)復(fù)雜且種類繁多,其造型、存儲及繪制都有相當(dāng)?shù)碾y度?，F(xiàn)有模擬方法缺乏普適性、交互性,不能滿足樹木形態(tài)千變?nèi)f化的需求,真實(shí)感有待加強(qiáng);再者,這些方法沒有很好地將樹木的地上部分和地下部分很好地結(jié)合起來。
　　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。通過對已有的樹木模擬算法進(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。該算法首先將樹木的結(jié)構(gòu)分為四個層次:樹葉、葉序、樹干、樹根,

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

4、用傳統(tǒng)的L系統(tǒng)生成樹圖形時,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)建模語言(X3D)作為編程語言來實(shí)現(xiàn)交互式L系統(tǒng)算法,另一方面,為了方便用戶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,并給出了常見樹形態(tài)的參數(shù)默認(rèn)值。
　　模擬結(jié)果表明,采用上述改進(jìn)算法建立的樹木模型,能將樹的地上部分與地下部分有機(jī)地結(jié)合起來,能較好地表現(xiàn)樹木的空間特性、趨光性和屈地性,樹木形態(tài)具有較高的真實(shí)