基于人工生命模型的虚拟植物生长动画初探【开题报告】.doc

毕业设计开题报告 计算机科学与技术 基于人工生命模型的虚拟植物生长动画初探 一、选题的背景与意义 近年来，自然景物的模拟一直是计算机图形学中最具挑战性的问题之一。作为自然景物模拟的重要内容，对树木、流水、波浪的模拟正日益引起人们的关注。植物是自然界最常见的景物，其种类繁多，形状各异，以及它们结构的不规则性和自相似性，给研究者提出了很多的难题。虚拟植物就是在计算机上模拟植物的连续生长过程，其模型是在对现实世界中的植物形态结构研究的基础上而建立的。通过应用3D数字化技术，对植物生长过程中的形态结构进行连续、精确的测量，并对所测得的数据进行分析研究以提取植物的生长规则；依据植物生长规则，利用科学可视化技术在计算机上建立虚拟植物模型。模拟自然界植物生长，还可以在军事、农业、商业、3D平面设计方面得到广泛应用。 二、研究的基本内容与拟解决的主要问题： 本课题是基于人工生命模型的虚拟植物生长动画初探，模拟现实中树木的生长过程。研究树木生长的过程，需要用3DMAX制作场景模型，用Directx 3D编写算法，在程序中的实现树木动态生长。研究的基本内容和拟解决问题如下: 1、基本内容： (1) 首先要研究真实生活中树木生长的过程。如芽的生长规律、树木分支的生长规律，树叶的生长规律、花和果实的生长规律等等。并且要研究清楚顶芽、树干、叶子之间的关系。顶端芽总是生长在主要树干顶部或侧向分支的顶部，而侧向芽位于在树枝的叶腋处。叶子总是生长在侧向芽附近。叶子为芽的生长提供养分。 (2) 其次要对树木建模进行研究。根据建模的方法和目的的不同，可以将虚拟植物的计算机构造模型大致分为三大类：纯图形学模型、动态结构模型和静态结构模型。从外型上对树木进行逼真的模拟需要用到纯图形学模型或静态结构模型，生理生态上模拟真实树木的自然生长过程需要用到动态结构模型。 (3) 再次要对树木生长过程算法进行研究。植物生长的本质可以利用一个重写的系统来描述，即用后代模块构造反复地替换前代的模块。假设所有模块都属于一个有限的模块类型集，一个任意大的模块结构的行为能够用一个有限的重写规则或产生式的集合来指定。一个产生式指定怎样用一个或多个后代模块构造替换一个前代模块。L-系统是描述植物生长的数学模型，其基本思想可解释为理想化的树木生长过程：从一条树枝(种子)开始，发出新的芽枝，继而发过芽枝的枝干又都再发新芽枝最后长出叶子。 (4) 最后是对龟型命令符的原理进行研究（算法核心）。将龟形命令符用于计算机绘图，要确定一个起始点和开始画线的方向（初始状态），当画图进行到任意一个阶段的时候，可以用(x，y，a)这三个量来确定任意一个画图的状态，即当前的坐标X，Y和当前要画线条的方向角a。然后，需要考虑的是状态到状态之间的转换。状态之间的转换不仅仅需要用到平移和旋转方向，还需要用到很多辅助动作。 2、拟解决的主要问题 (1)如何实现对场景及树木的建模（建模需要很逼真）。初步研究，需要用到3dmax软件，对其进行场景构建。使用贴图、标准基本体绘制、扩展体绘制等技术，绘制出逼真的场景和树木，让整个场面看上去生动有趣。 (2)如何在DirectX 3D导入3dmax场景。需要安PandaDirectXMaxExporter4.8.63.0插件，以.X导出3dmax制作的各种模型，再使用Directx 3D来加载相应模型。 (3)如何编写代码实现树的生长。这里涉及到很多的问题。如何将理论的龟型命令符，在DirectX 3D中用算法编写出树的基本模型。如何使用重写规则和产生式的集合来实现树的生长。如何区分芽、叶、枝干的生长，并相互协调生长。需要很认真透彻地学习L-系统，着实将一个个问题解决。 (4)如何解决树分支粗细的变化。随着分支节点到根节点的距离增加而变细。解决方法为随着层数的增加以适当比例减小树节点的半径。 (5)如何解决植物分形带有随机性问题。植物的结构除了由基因决定外，还要受到许多环境因素的制约，其形态在遵循自相似规律的同时也处处隐含随机。需要加入递归层数的判断。 三、研究的方法与技术路线： 1、三维坐标系中物体的基本计算 在三维坐标中，物体一般用(x,y,z)来准确定位。我们的世界可以用三维坐标来模拟表示。三维坐标中物体的移动、旋转、缩放是用矩阵计算，因此要完成本论文就需要学习三维坐标计算和线性代数理论。 场景建模研究 在建立场景中，需要向程序中导入三维模型。三维模型主要包括建筑物、植物、天空中的云、地面、虚拟人物。像植物、地面、云等简单模型可以通过图片形式以纹理方式导入到程序中，主要为纹理表现技术。本设计中用3DMAX建模。植物建模需要具有三维真实效果和动画，因此3DMAX中平滑曲面和生长动画建模就特别重要，完成模型后要用插件导出为.X文件使程序能够方便使用。 3、植物生长算法研