自然景物模拟一直是计算机图形学的研究热点。自然景物包罗万象,自相似性是其相当普遍的特征,而分形几何学正是表现这一特征的重要数学工具,分形法有多种形式,需要根据实际应用合理选择。 本文主要研究内容是自然景物模拟的一个分支——植物的建模与可视化。本文对这一领域内有代表性的研究成果逐一进行了概述。为方便理解将植物模拟按功能归纳为两种算法模型:形态发生模型和可视化模型。其中,形态发生算法模型负责生成植物的拓扑结构;可视化算法模型包括枝条自然弯曲的模拟,花朵、果实等植物器官的绘制,植物群落的绘制,向光性、季节性等植物特性的可视化。 论文以阔叶树的模拟为背景,研究探讨了植物模拟所涉及的自定义的L-系统,枝条粗细的表现,枝条的弯曲模拟与自然拼接,树叶的分布与绘制等关键技术。其一,选用自定义的L-系统作为植物拓扑结构发生器,证明了L-系统具有的分形特征。该L-系统定义简洁、高效、合理,并具备有限的随机性。其二,为了方便表现枝条的粗细,论文将该L-系统生成字符串按树型数据结构解析。数据结构的每个结点描述了一段从树的基点或树的任一分叉点到末梢的一段枝条,它是严格依据L-系统的生成字符串抽象出来的。这种数据结构与状态空间的盲目搜索树一致,只是生成策略有所区别,因为不需要搜索,而是对已生成的字符串的解析。接着,在模拟枝条弯曲和过渡部分,使用了多样条曲线的设计技术,还涉及到样条的拼接。本文选用Bezier曲线,Bezier曲线之间的连接以0阶连续为宜,对分叉点处曲线间的夹角有所限制。最后,在实现叶片在树枝上的分布这一模块,本文提供了两种简单、可选的叶型,将叶子按一定的概率布置到枝条表面,同时使之符合某些自然特性。 全文以植物模拟为重点,兼顾其它自然景物的建模设计。在模拟实现的过程中调用了Direct3D图形库的功能。