木材断裂模拟是自然景观模拟中的一个重要部分。木材是一种复杂的生物有机体,加之不同树种其木材构造和木材物理力学性质的多样性、树枝内部构造的不规则性和复杂性,很难用传统的方法来模拟木材和树枝的断裂。由3D建模师对其人工建模耗时长且不易于生成断裂动画;使用3D扫描仪器采集的折断树枝模型由于木材断裂处木刺参差不齐、纵横交错,生成的模型易出现许多空洞;直接使用随机噪声生成木材的断裂面则由于过多地简化木材特性导致其模拟效果缺乏真实感;目前有许多动画和电影的打斗场景中常常需要树枝或树干断裂的动画及特效。本文提出了一种基于木材学和木材内部结构重建的木材断裂模拟的可视化算法,通过研究树枝断裂面特征、基于树枝外部轮廓重建木材内部构造、分析不同树种的树枝断裂效果的差异等,将多种影响树枝折断效果的关键因素融入对木材断裂面的程序化建模中。其主要内容如下:(1)树枝断裂面的参数式建模:提出了一种使用计算机图形技术交互式地实时生成逼真的木材断裂面的算法。算法提供了多个参数,用户可根据需求通过设定相关参数对折断效果进行丰富的细化。用户通过设定断面上某一扇面所占的角度、扇面的朝向、高度等参数,获得断面分层明显的效果。在断面上顶点的轴向高度叠加多个经过参数调控的柏林噪声和白噪声得到细节更加丰富和具有更强不规则性的树枝断裂面效果。本文还通过分析所采集的真实树枝样本,探究了不同树种的物理力学性质差异与其断裂效果差异之间的关系。(2)基于外部轮廓的树枝断裂面建模:提出了一种重建树枝3D模型内部的木材年轮和木纤维束的算法,生成了合理的树枝内部结构:由多个类似圆环的年轮组成的层次结构,每一个年轮再划分为一串相连的扇环。基于这个重建结果,提出了将参数式建模生成的木材断裂面映射到形状不规则的3D树枝模型的算法,生成了符合木材结构的、具有真实感的、与3D模型相契合的树枝断裂面。(3)树枝干裂效果模拟:提出了一种模拟木材上沿木射线开裂而产生的径向裂纹的算法,以及模拟沿早材与另一年轮上的晚材相交边缘开裂而产生的切向裂纹的算法。本文所提出的算法捕捉了木材断裂效果的基本特征,生成的具有真实感的折断树枝模型可用于动画电影特效、实时游戏、实景仿真、木材知识辅助教育等。