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1、苏州大学 硕士学位论文 虚拟森林建模及其在影视游戏中的应用研究 姓名：洪宇 申请学位级别：硕士 专业：计算机技术 指导教师：李云飞 2010-10 虚拟森林建模及其在影视游戏中的应用研究 中文摘要 II 虚拟森林建模及其在影视游戏中的应用研究 中文摘要 植物形态的仿真一直是计算机图形学的热点。虚拟森林环境是虚拟现实技术与 动漫领域相结合的新型研究领域，其构建复杂的森林对象、表达及分析复杂的森林 生长规律的能力为动漫产业研究提供了一个新型的平台。本文主要以植被生长规律 为依据，构建并实现面向动漫游戏平台的虚拟森林模型。采用分形几何方法，同时 借鉴生物界自然选择和进化机制，从植物种群着手，利用遗传
2、算法模拟虚拟森林中 植物个体之间的竞争关系， 体现了优胜劣汰的自然选择规律， 并将部分环境因子 （如 阳光、温度等）加入在植物生长过程中，使模拟结果更加真实，初步实现了虚拟森 林反演过去、再现现实、预测未来的功能。实验结果已用于某公司的游戏开发中。 关键字关键字：虚拟森林，环境模拟，遗传算法，L 系统，二叉树 作 者：作 者：洪 宇 指导老师：指导老师：李云飞 Abstract A Research on Growth Modelling and Application of Film for Virtual Trees III A Research on Growth Modelling a
3、nd Application of Film for Virtual Trees Abstract The simulation of plant morphology has been the focus of computer graphics. Virtual forest environment is virtual reality technology combined with cartoon industry of new research field, the construction of complex forest object, expression and analy
4、sis of complex forest growth rule for animation industry research provides a new platform. This paper based on vegetation growth rule, and realize the platform for cartoon game model of virtual forest. Using fractal geometry method and biological evolution by natural selection mechanism of plant spe
5、cies, from the start, using genetic algorithm simulation virtual forest competition between individual plants, reflect the relationship between natural selection rules, And part of environmental factors (e.g., sunshine, temperature, etc.) to join in plant growth process, simulation results more real
6、istic and preliminarily realized forest inversion past, reproduce virtual reality, forecast the future function. Experimental results have been used to a company of game development. Keywords: Virtual Trees, Environmental simulation, Genetic algorithm, L System, Binary tree Written by： Hong Yu Super
7、vised by： Li Yun fei 虚拟森林建模及其在影视游戏中的应用研究 第一章 绪 论 1 第一章 绪 论 1.1 虚拟植物建模技术 虚拟植物，即应用计算机模拟植物在三维空间中的生长发育情况，是近 20 年 来随着信息技术的发展而迅速崛起的虚拟现实的一个重要分支。虚拟植物的模拟涉 及众多领域，包括植物生理学、作物栽培学、农业气象学和微气象学、土壤学、微 生物学、计算机科学等众多学科，吸引了许多计算机科学家，植物学家以及数学家 等，提出了各自模拟植物的方法和模型。 1.1.1 L 系统系统 L系统1,2,3,4,5是美国生物学家A. Lindenmayer 于1968年提出的，它是一种
8、字符重 写系统或形式化语言方法，通过对植物对象生长过程的经验式概括和抽象，构造公理 与产生集，生成字符发展序列，以表现植物的拓扑结构。此后不久，Smith等人将L 系统引入计算机图形学领域，用以解决植物模拟中分枝的拓扑问题。20世纪80年代， 加拿大Calgary大学学者Prusinkiewicz等人的工作进一步拓宽了L系统的研究范围，并 给出了大量由L系统产生的分形集与植物结构的例子。图1-1所示的是L系统构建的虚 拟树。应用L系统理论模拟植物形态与生长过程，不仅是计算机图形学的研究范畴， 20世纪90年代后该系统理论亦已被列入人工生命的研究范畴，L系统以其高度简洁和 多级结构，为描述树木生
9、长和增殖过程的形态和结构特征，提供了行之有效的理论与 方法，但L系统也存在一定的局限性，如L系统的字符串，既不能提供树木的基本信 息，也不能提供三维拓扑关系，因此，L系统在实际应用过程中还必须进一步充实和 发展，才能更好地描述现实世界中的三维树木，目前已有人将L系统与分形几何描述 相结合，以便对各种分枝情况复杂的树木及形态进行模拟，L系统的理论与方法正不 断地发展，其应用领域也在不断地扩大。 第一章 绪 论 虚拟森林建模及其在影视游戏中的应用研究 2 图 1-1 L系统构建的树 1.1.2 迭代函数系统（迭代函数系统（IFS） IFS6是确定几何对象的全貌和局部，通过若干仿射变换，将整体形态变
10、换到局 部，并将这一过程迭代下去，直到生成满意的造型。IFS 可定义为由一组满足一定 条件的映射函数及一组变化发生的概率组成。使用 IFS 生成的树木造型如图 1-2 所 示。 图 1-2 IFS 构建的树 近年来，IFS 理论有了较大的发展，它在一大类物体的建模问题中，特别是在 自然景物的计算机模拟生成中具有很大的优势。国内外许多学者对此也做了大量的 研究和探索。IFS 的研究范围在自相似分形图的基础上不断扩展，其范围已不再局 限于仿射变换。在用 IFS 建模的研究中，实现了对原图形的几何变换，将 IFS 中的 线性变换推广到非线性变换，对自然景物的建模研究也由二维推广到三维。 1.1.3
11、粒子系统粒子系统 粒子系统方法是迄今为止被认为是模拟不规则物体最为成功的图形生成算法 虚拟森林建模及其在影视游戏中的应用研究 第一章 绪 论 3 之一。粒子系统不是专门针对某一类自然景物设计的，而是从微观上着手，将自然 景物定义为微观粒子的集合，通过采用随机过程理论对微观运动的动态性进行约 束，从而在宏观上达到对不规则模糊物体的动态性和随机性的描述，因此粒子系统 可以用统一的模式来描述不同的动态自然景物。 粒子系统采用随机过程建立粒子的运动模型，并通过大量粒子的运动来表现不 规则模糊物体的整体动态性。用纯粹的粒子系统去模拟，一方面需要大量的粒子； 另一方面需要对粒子的运动采用能满足一定真实感的
12、约束。因此粒子系统在发展过 程中面临的问题和难点主要集中在以下三个方面： （1）大量粒子运算的实时性和真实感之间的矛盾。理论上来讲，粒子数量越 多，模拟的真实感越强，但是粒子系统中粒子更新和绘制的运算复杂度与粒子数量 成正比，因此增大粒子数量必然会使实时性下降。解决这个矛盾必须要采用一些方 法在保证一定真实感的基础上减少粒子的数量。粒子团纹理映射方法，以及后期出 现的粒子包络线方法等都是寻求解决这个问题的不同手段。 （2）粒子动态模型的真实性约束方面，简单的构造模型有一定的局限性，必 须从物理原理中寻求更加精确的建模。因此基于粒子系统的模拟方法已经越来越多 的和基于物理原理的方法相结合。物理原
13、理的使用从最初简单的外力或速度场的动 态建模逐步渗透扩展到各种粒子属性变化的动态建模。 （3）粒子的绘制方法。由于粒子数量众多，采用真实的光照模型绘制要耗费 大量的计算资源和时间，因此在粒子系统的实时真实感绘制过程中必须寻求快速高 效的绘制方法。纹理映射和混合是解决这个问题很好的一种途径。 1.1.4 随机过程法随机过程法 随机过程法7主要包括参考轴技术、多尺度自动机及双尺度自动机等植物生长 建模方式。基于有限自动机的参考轴技术，是将理论上的植物轴描述成参考轴，它 包括植物从种子到开花可能经历的所有不同阶段，每个阶段对应一个给定的生理年 龄，该轴是沿着逐步前进的方向变化的，在计算机程序中使用有
14、限自动机的结构表 示参考轴，自动机的状态与参考轴的不同阶段相联系，利用马尔代夫链理论和状态 转换图方式描述植物的发育、生长、休眠、死亡等过程。在此基础上又产生了多尺 度自动机和双尺度自动机模型，多尺度自动机能够以不同的时间尺度描述植物的拓 第一章 绪 论 虚拟森林建模及其在影视游戏中的应用研究 4 扑结构，该建模方法数据输入简单、过程分析直观、物理意义明确。双尺度自动机 是在自动机模型的基础上结合随机建模思想，根据植物的生理年龄来组合植物的生 长参数，以更为简单、通用的图形方式表示各种植物构造模型，能更有效地模拟真 实植物的生长过程。它将植物表示成宏状态和微状态两种，植物的叶元（节、节间 及节
15、上的侧生器官的集合）定义成一个微状态，宏状态则是由微状态组成。宏状态 的循环对应着生长单元在植物轴上的周期性生长。双尺度自动机模型通过微状态和 宏状态的组合和循环来模拟植物的生长过程，生成植物的拓扑结构。 1.2 虚拟森林技术 虚拟森林环境（Virtual Forest Environments, VFE）是虚拟现实技术在林业科学 上的应用实践， 它以林业空间数据为依托， 以虚拟现实技术为特征， 构建森林对象， 表达及分析复杂的森林现象，这种不同与以往二维图形的表达方式诱发了三维可视 化的新方法，新思想，新发展。虚拟森林环境是一个可进行森林实验的虚拟工作室 或人与人交流研讨、协同工作的媒介平台
16、，在虚拟森林环境中可以做定性与定量的 综合分析，解决复杂森林管理规划问题、科学地协同决策。虚拟森林环境可用于对 现实世界的森林数据进行模拟、分析、解释、预测等，帮助理解复杂的森林生长现 象，支持林业规划、决策和调控。因此，面向林业的虚拟森林环境的研究，是一个 十分复杂而迫切需要解决的问题，它将为林业建设提供一个广泛而形象化的信息处 理环境及支撑工具，为专家提供林业决策的新平台，有效推动森林资源的合理保护 和营林生产等林业各个环节的信息化进程，进而提高林业管理的现代化水平，促进 资源、环境、社会、经济的可持续发展问题的讨论，具有重要的理论和现实意义。 20 世纪 80 年代中期，随着植物模拟在纯计算机图形学方面的逐渐成熟，美国、 芬兰、日本等国逐渐开始将其应用于林业的研究。从大学的实验室到商业上的产品 都开始采用虚拟技术对森林进行管理。 伊利诺斯大学图像系统实验室和美国农业部（United Stated Department of Agriculture, USDA）林务局合作开发，后由芬兰赫尔辛基大学森林可视化实
