真实感动态树场景的研究与实现.docx

真实感动态树场景的研究与实现摘要：树木的动态显示在自然场景模拟中有着重要的地位。采用CookTorrance光照明模型和预计算的半透明贴图实现了叶片的绘制使用梁模型导出的拟合多项式结合偏移修正实现枝干的快速形变计算通过索引枝干层级数据贴图实现GPU中多级枝干的形变。预计算和GPU的使用使得模拟过程中真实感和实时性得以平衡。实验结果表明该方法实现了快速真实的动态树场景渲染。关键词：树场景；叶片渲染；半透明；物理动画；图形处理器0引言树木是自然场景中重要的组成部分具有真实感的树木动态模拟在虚拟现实相关领域中起着举足轻重的作用其应用范围包括动画、游戏和军事等领域。因此对树场景动态实时模拟技术的研究一直以来都是一个热点和难点。目前对于树木的绘制可分为基于图像的方法和基于几何的方法。基于图像的方法极大地降低了树模型的面片数量并对光照和阴影进行了预计算效率高但在近距离观察时效果不理想多用于大规模的场景或背景的绘制[1]。基于几何的绘制为普遍使用的方法Sousa[2]使用了叶片的厚度贴图提升了树木的显示效果。Kharlamov等[3]在计算叶片的时候考虑了叶片相互遮挡产生的自阴影的效果。但这些方法在增强真实感的同时引入了大量的计算。对于树木枝干受风力作用的形变及动画可以分为过程式和基于物理两类方法。过程式方法一般不考虑树的物理属性采用经验公式计算树在风力作用下的位移虽然效率较高但不够精确。Zioma等[4]使用了刚性梁绕轴周期摆动的方式实现动画虽然速度快但动画显得重复单调。对于基于物理的方式李占利等[5]将枝干分段使之作为连接的弹簧模型计算每段受风力产生的偏移。Hu等[6]同样使用分段的方式同时加入了枝干沿轴的扭转。该类方法中每个分段节点的偏移必须逐一计算并累加精确模拟需要增加分段导致计算量较大且难以并行。Yang等[7]使用层次矩阵结构使用统一计算构架（ComputeUnifiedDeviceArchitectureCUDA）实现了枝干的形变但CUDA平台使得使用该方法存在一定的局限性。