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自然景物的计算机模拟是计算机图形学中研究的一个重要课题。自然景物在外形上的随机性和不规则性难以用传统的方法加以描述。自分形概念创立后,其作为一门新兴的交叉学科,受到非线性学术界的广泛重视。分形为探讨自然界复杂事物的客观规律及其内在联系提供了新的概念和方法,在自然景观的模拟特别是植物的模拟中,分形技术展现了其独特的优势,成为当今时代研究者们的热点之一。
利用分形技术进行植物模拟实际上是利用植物自身结构的分形特征生成植物图形。当前,分形植物模拟的方法有很多种如迭代函数系统(Iterated FunctionSystem,IFS)、L-系统、受限扩散凝聚(DiffusionLimited Aggregation,DLA)模型和粒子系统等。本文主要研究迭代函数系统IFS方法,该方法可以由一个数学系统去解析地构造、研究一大类人为的或自然的具有自相似结构的对象,是科学研究的一种非常有效的简化事物的方法。
本文首先介绍了IFS的基本原理、重要概念以及用IFS迭代生成分形图的两种算法:确定性迭代算法和随机迭代算法,为进一步利用IFS模拟植物奠定理论基础。本文的研究工作主要有以下两个方面:
二维IFS植物建模。在本部分的研究中,主要针对二维IFS码的获取方法及阴影绘制技术两方面的内容。首先分析比较已有的获取二维IFS码的方法如传统拼贴方法、三点法和三角形法。在此基础上,提出矩形框法并得到若干种植物的IFS码及其所对应的效果图。矩形框法是在原图上画出拼贴方式的示意图,在示意图上对原图及其每一个小“拷贝”用矩形框先进行约束然后再取点。此方法在取点和选取拼贴方式两个方面都做了一定的改进;然后,分析了已有的二维IFS模拟植物的阴影绘制技术,并且对已有的阴影绘制方法作了改进,通过对象素点进行线性变换,消除了在绘制过程中树影偏离树体的现象。
三维IFS植物建模。首先阐述3D-IFS植物建模的理论基础,分析总结前人研究成果,在此基础上提出了分别针对合轴分枝和单轴分枝树木的3D-IFS码确定算法。另外,在3-D IFS树木建模的基础上,通过定义着色变量corlor和着色函数f(X),给出了一种基于3-DIFS的树木着色方法。该方法首先根据生成树体各部分的仿射变换不同,确定树体各部分的基本颜色。然后根据树木3-DIFS建模时各参数在影响树木着色中所起的作用及影响程度,得到对树体各部分的差异颜色值,再综合确定树体各部分的颜色。该方法不仅能体现树体不同部分颜色的差别,消除了平板色块现象,而且综合考虑了建模中的各参数对树木颜色的影响程度,细致的表现了树体某一部分内部的颜色差异,通过了在计算机上绘制和检验,证明该方法可大大增强了树体颜色的层次感。