基于Perlin噪声的花卉仿真算法研究
【摘要】： 植物仿真是计算机图形学和三维动画技术的研究热点之一,在计算机视觉、计算机游戏和虚拟现实等领域都发挥着重要作用。花卉仿真作为植物仿真的重要分支,是三维虚拟景物仿真中不可或缺的部分,被广泛应用于可视化技术、农林研究、计算机游戏和影视制作等领域。但是,花卉组织器官精细且不规则,几何和形态结构复杂性高,使得花卉建模繁琐和费时。同时,花卉基于物理模型拟合真实光照也是研究难点。为满足高效且仿真度高的花卉建模,本文研究了虚拟花卉仿真相关问题,使用基于几何的方法对三维花卉进行重构。考虑到花卉在虚拟场景的渲染效果,应用改进的物理光照增强绘制真实感,进一步探讨了虚拟3D花卉的几何建模和真实感渲染方法。对于虚拟花卉的几何建模,首先利用Catmull-Rom样条曲线绘制草图,通过二维Perlin噪声生成深度值,引入噪声XY轴缩放参数控制花瓣和叶片的卷曲程度,提出了一种基于Perlin噪声的片状器官建模算法。然后使用随机扰动函数实现了花茎的快速建模,运用细柱体和椭球体拟合花蕊。最后采用基于Vogel模型的数学方程式重组花瓣的空间位置结构,完成花卉形态结构的构建。在花朵和植株的真实感渲染中,结合花卉器官的半透明特点,提出融合BSDF模型的花卉渲染算法,从漫反射、高光反射和透射项较好地模拟光学现象。并引入基于Ops2的高光反射项替代主流虚拟引擎的Cook-Torrance模型,减少了光照渲染的计算复杂度。本文构建玫瑰花、康乃馨、郁金香、三色堇和波斯菊等虚拟花卉形态模型,实现了基于物理规律的真实感渲染,并通过调整参数生成不同生长时期的花卉。与分形几何、Bézier曲面生成的花卉进行对比分析,表明本文研究方法在绘制草图时使用控制点少、建模高效,且构建的虚拟三维花卉模型仿真度高,渲染光照真实感强。
【学位授予单位】：深圳大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
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