植物是自然场景的重要组成部分,在虚拟现实/环境、计算机动画与仿真中,植物模型的精细程度和外观效果直接影响室外场景的真实感。因此,植物的建模表示与真实感绘制一直是计算机图形学领域研究的热点和难点之一。随着计算机硬件和软件系统的飞速发展,特别是可编程图形卡及相应编程语言的功能日益完善和强大,人们开始考虑动态自然场景的真实感绘制问题;另一方面,数字娱乐与媒体如影视特效、视频游戏等也迫切希望图形学提供有效、快捷的算法来处理动态变化的室外场景,并在获得更为逼真的动态效果的同时加快制作工序并节省成本。模拟动态变化的对象,不仅需追求形态上的真实感,而且也需要保证运动上的真实感。注意到植物形态各异、结构复杂,其生长和运动蕴含着错综复杂的物理和生物学规律与机理。迄今为止,人们对有些现象尚处于探索之中,缺乏对其进行定量描述的物理模型和生物学模型。对于部分已提出的理论模型,其算法实现也需要极大的计算开销,这将难以满足那些对时间敏感的图形学应用的需求。因此,在保证一定的形态真实感的前提下,构造合适的物理模型和生物学模型,加速模拟计算,以便最大限度获得运动或变化真实感显得颇为重要。本文基于物理和生物学原理,从植物的表达模型出发,研究植物的动力学模拟与生长模拟,力求在形态真实感、运动真实感以及效率之间取得较好的平衡,以满足相关应用的需求。本文工作主要集中在如下四个方面:第一,以树为例,综合利用几何在可控变形、图像在外观细节表达两方面的长处,研究植物的多分辨率模型表示;第二,构建符合自然规律的场景物理条件,寻求适于枝条变形计算的物理模型及其简化策略,实现基于物理的树与森林的实时动态模拟;第三,精确预计算单株树在风力作用下的形变序列,在此基础上相应的研究运动简化和几何压缩算法,实现对形变数据的高效重用;第四,探索花朵的快速建模方法,寻求基于生物学规则的花瓣生长描述方法,实现形变过程逼真的花开模拟。本文研究的主要贡献和创新点在于:提出了一种多分辨率混合式植物表达模型,可同时满足模型逼真度、表达效率、绘制友好以及形态可控等方面的综合要求;提出了一种基于误差度量树的几何细节层次(GLOD)算法;并实现了一个作为原型的参数式树建模系统;实现了一个基于随机过程的物理真实的风场;针对树的实时动力学模拟,提出了一个与几何细节层次分离、逐次简化计算的模拟细节层次(SLOD)的策略,在运动真实感和效率之间取得了良好的平衡;提出了一种新的运动细节层次(MLOD)的概念,将已有运动(形变)数据依据一定的准则重新组织为多分辨率形式,实现按细节需要分批调度的数据重用;针对树型层次结构,提出了一种利用仿射变换层级体系逐级逼近原始形变的运动简化方法;实现了基于草图(sketch-based)的花朵多状态快速建模方法,提出了一种基于生物学原理而又便于图形学实现的花瓣动态生长模型,第一次实现了符合生长规律的花开模拟。