近年来,自然场景的模拟已成为计算机图形学领域的研究热点之一。作为自然场景的重要组成部分,森林、草地、田园等植物群体的真实感模拟,吸引了众多研究者的关注。如何高效、逼真地模拟外界环境因子作用下植物或植物群体的形态及生长过程,对于植物生长规律的研究、生动的自然场景的建立,具有重要的理论意义和实用价值。本文研究了雨、外力等外界环境因子对番茄植株形态的影响,并基于GPU开发了虚拟番茄园可视化系统。本文主要工作如下:1.对参数化L系统进行改进,对参数化L系统中表示器官的字符添加了年龄参数,用来模拟番茄植株的动态生长。同时,对表示枝干、叶片的字符添加了偏转角参数,用来模拟番茄植株的受力形变。基于改进后的参数化L系统建立了番茄可视化模型。2.基于弹性杆件原理,建立了番茄主茎和叶轴的受力模型。首先,通过改变番茄可视化模型中的偏转角参数,来模拟番茄植株在外力作用下的形变。随后,对外力消失后枝茎运动轨迹进行了分析,提出了基于阻尼振动原理的枝茎形态恢复算法,用来模拟番茄植株在外力消失后的动画。3.使用粒子系统对雨场景进行建模,将雨离散为若干个互相独立的雨滴粒子。对雨滴粒子与叶片发生碰撞后的雨滴分裂情况进行了分析,并结合水分质量守恒和能量守恒原理,计算了水滴在三维植物冠层中的传播路径。同时,对受到水滴撞击的叶片进行振动动画模拟。由此,建立了冠层空间内雨分布模型。该模型可以有效的模拟三维植物冠层与雨的实时交互。4.提出了基于GPU的番茄园真实感绘制的实现方法。首先基于GPU图形技术,使用顶点着色器对番茄器官的平移、旋转、尺寸进行计算,使用片元着色器对番茄器官的纹理、颜色进行处理。然后,基于番茄可视化模型,实现了对群体番茄生长可视化的模拟。最后,结合外力作用下番茄的形变算法和冠层空间内雨分布模型,实现了番茄园与外界环境因子之间的实时交互。5.在VS2005平台上,使用C++编程语言、GLSL着色器以及MFC框架,开发了虚拟番茄园可视化系统。本文对虚拟番茄与外界环境因子的实时交互进行了基础性研究,并提出了相关的算法和模型,开发了虚拟番茄园可视化系统。系统较真实地模拟了番茄的单株以及群体动态可视化生长,同时实现了番茄与外力、雨环境因子的实时交互以及番茄园的真实感绘制。