树木是描述现实和虚拟环境不可或缺的元素。随着计算机图形学技术的蓬勃发展和日渐普及,数字化的三维树木模型频繁出现在城市规划、景观设计、影视娱乐、三维游戏和虚拟现实等应用中,并在描述环境、烘托场景氛围起到了举足轻重的作用。目前,有关三维树木建模的研究大都将重点放在如何创建具有植物学意义的真实感三维树木模型,以及如何更自然逼真地模拟树木和环境的交互。事实上,在一些特殊场景中,具有特殊属性(如相似而不同的性质、奇异的几何形态或者拓扑结构等)的三维树木以及风格化的树木动画往往能够为用户带来更好视觉体验和沉浸感。然而,现有方法既没有涉及到也没有为上述问题提供可行的解决方案。因此,本文提出了三种创意三维树木建模和动画方法,目标在于生成大批量具有特殊几何形态和拓扑结构的三维树木模型和视觉美观的风格化树木变形动画。本文的主要技术贡献如下:1.提出了一种新颖的创意三维树木建模方法。该方法以树木混合算法为核心技术,能够依据有限棵同种或者不同种树木的输入自动地生成大量具有几何形态和拓扑结构多样性的新树木来激发用户的创造力。该方法的核心技术是枝条间的模糊对应关系和拓扑保持树木混合算法。该方法通过随机调控混合任务的执行顺序从而保证了算法生成新型树木的多样性。另外,本文为多棵树木间模糊对应关系的问题提供了可行解的求解方法,并且支持多棵树木间的自由混合和用户的探索式创意建模。2.提出了一种分枝模式感知且拓扑保持的树木渐变动画方法。该方法能够在拓扑结构多变的树木间同时生成细节保持的树叶动画和分枝模式保持且拓扑一致的树干动画,从而得到视觉上自然美观的动画特效。该方法的核心技术是拓扑感知的全自动树叶簇提取算法和枝条间分枝模式感知的一对多模糊对应关系。基于此,该方法将树叶渐变动画无缝集成到树木枝条的变形动画中,并且有效地避免在渐变过程中生成不合理的“漂浮”树叶。3.提出了一种新颖的草图交互式形状保持树木变形动画方法。该方法能够平滑地将三维树木变形成为用户通过视点相关二维草图定义的特殊形状,并在变形过程中保持中间树木外观形态的几何意义。该方法的核心技术是基于自适应包围多边形树的形状保持树木变形算法。除了能够生成新颖的树木变形视觉特效,该方法也提供了一种便捷直观的三维树木编辑操作,并可以无缝集成到现有三维树木建模框架中,为用户提供直观便捷的树木编辑和动画操作。