计算机动画作为计算机图形学的一个重要研究方向,在各个领域的应用越来越广泛。随着计算机硬件和图形学算法的发展,计算机动画不断向着高质量和高效率的方向进步。户外场景的实时动画模拟是计算机动画的一个研究热点,而森林场景作为最经常使用的户外场景之一,许多研究者都对其动画模拟进行了研究,并取得了很多研究成果。由于森林是一个非常复杂的系统,所以实时模拟会给计算机带来巨大的计算压力,部分研究者提出了使用预计算的方法减轻实时计算量,但是预计算在处理大量树木时会占据大量的存储空间。一些研究者提出了完整的实时计算方案,但是他们把每棵树木都当成了完全独立的个体进行考虑,没有计算树木之间的相互影响。还有研究者使用了严格的物理计算模拟树木运动,在单棵树上可以得到非常逼真的模拟结果,但是物理计算会消耗大量的计算资源,所以很难应用到大规模的森林场景之中。目前,森林场景的实时动画模拟仍然是一个值得研究的问题。针对这些问题,我们以森林气象学的相关知识为基础,结合前面研究者对于单棵树木运动的研究,提出了风场作用下的森林场景的实时动画模拟的计算方案。由于本套方案采用了大量的森林气象学经验公式,因此相对于严格的物理仿真方法具有更高的计算效率,同时考虑了树木位置对于整体风场的影响,相较于原来的计算方案,更能反映真实的物理场景。具体而言,本文的主要研究工作和成果包括:(1)实现了单棵树的建模与运动。使用分形法建立了单棵树木的模型,提出了把这种模型应用到森林场景中时的LOD方法,并模拟了单棵树木在风场作用下的运动,树枝的运动采用了弹簧模型,树叶运动采用了以1/f~β噪声函数为基础的随机模型。(2)提出了基于森林气象学的大规模森林场景的实时动态计算模型,模拟了平原地区森林场景在风场作用下的实时动画。首先以森林气象学的相关公式为基础建立了旷野中的风场模型,然后研究了树木对风场的衰减作用以及风场自身的恢复作用,最后以上面的研究为基础提出了一整套森林场景的实时动画计算方案。(3)对大规模森林场景的实时动态计算模型进行改进,添加地形的影响因子,模拟了山区森林场景在风场作用下的实时动画。研究了山地地区的风场分布规律,并建立起了山地地区风场分布与平原地区风场分布的相互转化方法。通过在平原地区计算方案的基础上进行的修改,我们最终实现了山区森林场景的实时动画。(4)通过对比试验说明了树木对风场的影响,并分别实现了平原和山地地形上的不同规模的森林场景动画模拟,并测试了运行效率。对于1000棵树的场景,风场计算时间在2ms以下,动画模拟帧率也在15 FPS之上。