自然场景的真实感建模与绘制科研总结.docx
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自然场景的真实感建模与绘制科研总结
项目编号：
S2009218
武汉大学本科生科研结题报告
自然场景的真实感建模与绘制
院系名称：
计算机学院
小组成员：
赵旭升
李雪梅
毛玉婷
指导老师：
宋成芳讲师
二○一零年十月五日
INTERIMREPORTOFUNDERGRADUATESCIENCERESEARCHPROJECTOFWUHANUNIVERSITY
Realisticmodelinganddrawingofnaturalscene
College：
ComputerScience
Subject：
ComputerScienceandTechnology
Name：
ZhaoXushengMaoYutingLiXuemei
Director：
SongChengfang
June2010
郑重声明
本小组呈交的结题报告论文，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，所有数据、图片资料真实可靠。
尽本小组所知，除文中已经注明引用的内容外，本中期报告论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。
对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。
本人签名：
日期：
二○一零年十月
摘要
植物的建模可细分为模型表示与建模方法两个部分。
植被场景的绘制方式大致可分为两类：
其一，基于纯几何和传统光照明模型的真实感绘制；其二，基于预采样的光亮度重用方法。
三维模型建模方法是计算机图形学的重要基础，是生成精美的三维场景和逼真动态效果的前提。
VUE5中物体的创建于编辑；对物体的编辑有：
选择，移动，旋转，扭曲，缩放，改变材质颜色，分散，复制，导出等。
图像的渲染；取景；材质等内容。
关键字：
计算机图形学；VUE5；自然场景；建模方法
ABSTRACT
Themodelingofplantsthatcanbebrokendownasamodelandmodelingmethodsintwoparts.Waytodrawthesceneofvegetationcanbebroadlydividedintotwocategories:
First,basedonpuregeometricmodelandthetraditionallightingofthephotorealisticrendering;Second,thebrightnessbasedonpre-samplereusemethod.Three-dimensionalmodelingisanimportantbasisforcomputergraphics,istoproducebeautifulandrealisticthree-dimensionalscenedynamiceffectsofthepremise.
VUE5objectscreatedintheediting;theeditorsofobjects:
select,move,rotate,twist,zoom,changethematerialcolor,dispersion,copy,exportandsoon.Imagerendering;viewfinder;materialsandsoon.
Keywords:
computergraphics;VUE5;naturalscenes;Modeling
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目录
摘要4
ABSTRACT5
第一章绪论7
1.1研究背景7
1.2研究意义8
第二章计算机图形学概论8
2.1自然的三维模型建模方法8
2.2算法10
2.3不同类别场景的绘制12
2.4植物场景构造工具14
2.5图形的几何变换16
2.6总结16
第三章物体的创建与编辑17
3.1物体的创建17
3.2物体的编辑18
第四章渲染及高级渲染19
第五章取景19
5.1取景工具19
5.2取景原理和效果20
第六章材质20
第七章地形21
第八章文本22
第九章植物22
第十章大气和光24
第十一章函数、滤镜和颜色图25
第十二章操作实例29
参考文献34
第一章绪论
1.1研究背景
在计算机图形学领域，植物的建模表示、绘制与动态模拟一直是研究的热点和难点，提出了许多针对植物这一特殊对象的方法，也取得了较好的结果。
植物的建模可进一步细分为模型表示与建模方法两个部分，模型表示、建模方法与绘制三者之间是相互依赖和密切相关的，一般结合在一起实现。
植物的建模方法从方法论上看，单株植物的建模方法有经验式和因果式两类。
前者在实验数据的基础上描述植物的统计规律，是由上至下的分析式模型，如应用人工神经网络方法模拟花卉的生长过程。
此类方法适用性广，方法简单，计算速度快。
因果式模型通过合成已知或假设的机理建模，可解释植物的内在生长机理，故又称为解释型，生理式或功能式模型。
经验式方法与植物生态学结合，广泛应用于农林业的研究工作中，因果式模型则在计算机图形学领域中被广泛应用。
植被场景的绘制方式大致可分为两类：
其一，基于纯几何和传统光照明模型的真实感绘制；其二，基于预采样的光亮度重用方法。
前者能生成具有照片般真实感的画面效果，但计算量巨大，生成画面相当耗时；即使经过大量简化和场景优化后获得了一定的性能提升，但仍限于处理静态场景；第二类方法通过纹理映射从图像获取细节，避免了复杂的几何表示，以较小的代价获得令人满意的绘制效果。
它甚至能提供一定程度上的多视点漫游，但需要数量巨大的预采样数据和预处理时间，因此难以仿真动态光照和动态森林场景。
计算机图形学的主要研究内容有：
计算机中图形的表示方法，利用计算机进行图形的计算、处理和显示的相关原理与算法。
计算机图形学的主要目的就是利用计算机产生令人赏心悦目的真实感图形。
在计算机辅助设计与制造、可视化、真实感图形实时绘制与自然场景仿真、计算机动画、计算机艺术等，计算机图形学有诸多研究和应用领域。
1.2研究意义
对于自然景观的真实感建模与绘制，国外有很多相关软件，国内虽然支持过类似方面的研究项目，但专业软件的报道极少。
直接从国外购买这些软件成本并不低（大型造型软件的插件价格大约100美元，提供源代码开发的SpeedTree软件的每个单机license价格为8500美元）。
探索新的高效建模和可视化技术，开发自主版权的植被建模与绘制平台，对于我国在军事仿真，园林设计，森林防护和数字娱乐的发展非常重要。
同样对于我们来说，研究次项目能够帮助我们提高专业知识水平，拓宽视野，锻炼动手实践能力，加强团队协作能力，敢于创新，大胆实践。
第二章计算机图形学概论
2.1自然的三维模型建模方法
三维模型建模方法是计算机图形学的重要基础，是生成精美的三维场景和逼真动态效果的前提。
然而，传统的三维模型方法，由于其主要思想方法来源于CAD中基于参数式调整的形状构造方法，建模效率低而学习门槛高，不易于普及和让非专业用户使用。
而随着计算机图形技术的普及和发展，各类用户都提出了高效的三维建模需求，因此研究和谐自然的三维建模方法是目前发展的一个重要趋势。
采用合适的交互手段，来进行三维模型的快速构造，目前已引起了国际同行的广泛关注。
由于笔式或草图交互方式，非常符合人类原有日常生活中的思考习惯，是目前研究的重点问题。
其难点是根据具体的应用领域，与视觉方法相融合，如何设计合理的交互语汇以及对应的过程式“识别-构造”方法。
与此相关的一个问题是基于规则的过程式建模方法。
目前由于GoogleEarth等数字地图信息系统的广泛应用，对于地图之上的植被、建筑物信息等存在迫切需求。
为此，研究者希望通过激光扫描或者视频等获取方式获得相关信息后能迅速地重建出相关三维模型信息。
然而单纯的重建方式存在精度低、稳定性差和运算量大等不足，远未能满足实际的需求。
因此，最近的研究中，倾向于采用基于规则的过程式建模方法相结合来尝试高效地构造出三维相关的树木等结构化场景，并且在短时间内进行大规模复杂植被的真实感建模。
真实感绘制手段可以大致分为以下3种：
（1）绘制用粒子系统构造的树
（2）直接绘制多边形等几何面所构造的树；
（3）绘制由三维纹理构造的远距离的树．
由Reeves等人提出的粒子系统所绘制的森林是早期计算机生成虚拟自然景物的最有说服力的例子之一，然而粒子系统构造的树木看起来有比较明显的人造痕迹．而且粒子系统的光照效果无法根据客观事实严格计算，因此，缺乏高度真实感．对由多边形等几何面所构造的树的绘制可以采用成熟的真实感图形绘制手段，如各种光照模型、光线跟踪方法、辐射度方法等．考虑到场景的复杂性．一般采用z-buffer深度消隐和阴影生成方法来绘制近距离的阔叶树．对于几何面所构造的远距离的树，Weber采用的是对模型进行简化，根据树木的远近采用多分辨率的绘制手段.虽然Weber提供的绘制结果质量比较高，但是远处树木简化后颜色过于单一，造成绘制结果模糊不清
三维纹理是最近几年才被引人到树木的构造和绘制中的.它的优点是可以简化场景，消除几何面造成的混淆，使构造和准确绘制高度复杂的自然场景成为可能．它的缺点则是由于绘制算法通常是结合体绘制技术的光线跟踪方法，因此实现起来比较复杂，运算时间复杂度也比较大．
自然界的树木种类繁多，形态各异，考虑到存储容量和绘制速度的限制，针对不同的环境特征和不同类型的树木的特点，我们采用不同的绘制手段：
对于只包含近距离阔叶树的简单场景，我们采用基于OpenGL的深度缓存阴影生成算法，实现简单，绘制速度快；对于近距离针叶树．我们采用纹元来构造松针束，并在绘制时采用结合光线跟踪和纹元绘制的技术；而对于距离视点比较远的树，为了简化场景，我们采用的是体纹理映射的技术，因此绘制方法采用的是结台体绘制技术的光线跟踪方法．从各种绘制方法所得到的结果图像不难看出，根据不同的场景要求，采用不同的绘制技术绘制树木是有效、可行的．
2.2算法
1深度缓存阴影生成算法的基本原理
深度缓存阴影生成算法分两步完成：
首先，以光源为视点，将场景中的所有多边形对光源作带深度消隐的投影．并将结果的深度值记录在阴影深度缓冲区中；
然后，恢复视点，局部光照模型绘制场景，在绘制每个像素时，先将其投影到光源上，并与阴影深度缓冲区中对应的点作深度比较，如果当前绘制的像素离光源近，那么说明它落在阴影外面，否则就说明落在阴影中．
这个算法实现简单，处理速度快，但缺点是离散化可造成严重的混淆，尤其是在绘制准确定义的几何形体时这种混淆更明显．
另外，对于场景中的每一个光源，都必须做一次投影操作，并记录一个阴影深度缓冲区，内存开销比较大．对于自然场景而言，这两方面的缺陷都可以接受，一是自然景物（包括树木）的结构高度随机，大大减小了混淆的影响；二是通常只包含一个光源——太阳，所以只需做一次对光源的平行投影操作，记录一个阴影深度缓冲区即可．
如下图所示，P1和P2是S2面上的点，P1投影到光源，发现在阴影深度缓冲区
中对应的点被离光源更近的S1所覆盖，因此P1落在阴影中；而P2则落在阴影外面。
2基于OpenGL的深度缓存阴影生成算法
采用OpenGL的原因是，它是一个广泛应用的图形基本函数标准，可以得到硬件的支持以提高绘制效率．我们提出的基于OpenGL的深度缓存阴影生成算法，就是要在涉及投影和光照计算以及深度消隐等操作上尽可能地采用基本OpenGL函数完成．
根据上述深度缓存阴影生成算法的基本原理，相应地，基于OpenGL的算法可以通过以下几个步骤来完成：
（1）将视点定在光源处．将场景中所有的多边形向光源作带深度的平行投影，每个多边形
采用一种颜色填充.
（2）恢复视点，采用相同的Idcolor将场景中所有的多边形向视点作带深度的透视投影，将屏幕上每个像素点的Idcolor和世界坐标记录在SC-buffer中；
（3）运用基本OpenGL函数对场景进行局部光照绘制．
（4）只保留环境光，运用基本OpenGL函数对场景进行局部光照绘制.
（5）判断图上的每个像素点．如果落在阴影中，就把对应点颜色值赋给它．
3BSP树光线跟踪
一种常用的自然场景绘制算法是光线跟踪。
我们知道，提高光线跟踪绘制效率的关键是减少光线和景物求交的运算次数，因此有效的场景空间剖分技术是必不可少的。
目前，空间剖分算法主要有三类：
均匀网格剖分算法，八叉树剖分算法和BSP树剖分算法。
与前面两个算法相比，BSP树具有内存耗费小，剖分产生的无效区域少，对大部分场景，尤其是自然场景来说，BSP树和八叉树相比更为平衡，因而树的深度也较浅。
理论分析和实验比较，BSP树光线跟踪是一个接近线性复杂度的快速光线跟踪算法，因此我们选用BSP树作为光线跟踪绘制自然场景的剖分算法。
BSP树是通过对场景的递归剖分获得的。
依次沿子空间的x，y，z区域的中间剖分当前子空间，直到子空间中包含的物体少于给定数量或者剖分深度达到给定最深深度为止。
2.3不同类别场景的绘制
1阔叶树简单场景的绘制
阔叶树简单场景是指场景中只包含一棵或者几棵阔叶树．这样的场景完全可以用多边形来描述，对于只包含近距离阔叶树的简单场景，因为树木在屏幕上的投影面积比较大．我们采用几何曲面进行描述、对于这类场景，可以采用深度缓冲区阴影生成算法进行绘制.
2针叶树的构造和绘制
针叶树在结构上要比阔叶树复杂得多，由于针叶细小数目庞大，完全用几何曲面很难对其进行有效的构造。
因此，对于近距离的针叶树．枝干可以用多边形曲面描述，而大量的针叶树必须采用纹元来构造．抡针纹元的构造跟草地纹元的构造过程类似．只要将第一步的草地生长模型替换成松针叶子的生长模型，并把草叶子材质替换成针叶的材质即可、跟纹元构造的草地类似，整个场景都是由多边形曲面和纹元构成，因此绘制算法也和草地绘制类似，采用结合光线跟踪和纹元绘制的技术，不同的是我们介绍的草地的构造方法保证了纹元之间不会出现相互穿插的现象.
3远树的绘制
前面介绍的绘制技术只适合于对近距离的树木的绘制，对于远距离的树，采用上述绘制方法不但计算量大，绘制时间长，而且还很难得到满意的结果，这是因为远距离的树通常数量多．描述一棵树通常需要几万到几百万个多边形，数量巨大的多边形数量不但造成绘制效率的低下，而且还给存储带来很大的负担。
此外，因为一个像素点的颜色值通常是由许多多边形共同作用所产生的．所以将不可避免地出现严重混淆的现象．
对远距离树木的绘制可以大致分为以下3种：
（1）直接绘制基于多边形几何造型的树：
（2）绘制对原始造型简化了的树木；
（3）基于三维纹理映射合成．
直接绘制基于多边形几何造型的树木的缺点前面已经提到了，对于数目庞大的原始数据，不但绘制时间长，容易造成明显的混淆．而且存储要求也不是目前一般的硬件所能承受的.为此，我们不考虑采用这种方法．
而Weber采用的简化原始数据再进行绘制的方法也缺乏高度的真实感．我们认为，三维纹理映射（或称体纹理映射）是目前构造和绘制大量远距离树木的有效工具和方法．体纹理的结构与纹元相似．或者说纹元是一种特殊的体纹理结构，因为在纹元包围盒中只有许多细长的圆柱，而体纹理中包含的是许多任意的微面．体纹理和纹元在结构上的不同，决定了它们的光照模型也不一样．
Neyret提出了构造森林、草地和其他结构复杂、重复出现的物体所构成场景的完整模型。
我们就是采用这个模型来构造远树的．然而Neyret的模型在构造场景时．体纹理包围盒之间不存在相互穿插，这给造型带来许多不便．
其实，体纹理的绘制算法与纹元的绘制算法类似，不同的只是采样点的光照模型，在计算某个像素的颜色时．只要对所有采样点按照它们到视点的距离排序后再作透明度计算和颜色叠加，则体纹理包围盒是可以穿插的．
4草地的绘制
对于草地的构造，本文采用的是纹元．Kajiya在1989年提出的原始纹元是表示短毛发的有效工具．原始纹元空间的毛发必须是相互平行的，这样对于光照计算起重要作用的局部的毛发切向方向可以由三点线性插值求得而不必记录在纹元结构中．这显然不能满足草地的构造要求，因为草叶子显然不是相互平行的．Neyret采用的办法是借助椭球模型计算光照，这样一来草叶子的带状特征得不到很好的表示．我们改进了原始纹元的结构，使得纹元局部的切向量可以在构造纹元时记录下来，并在绘制时方便地求得．这样的纹元构造的草地显然具有高度的真实感．
2.4植物场景构造工具
生成高度复杂虚拟自然植物场景的第一步是场景的构造。
常用的构造和绘制工具有多边形曲面、纹元和体纹理三种．
1多边形曲面
多边形是构造虚拟场景的最一般的工具，对于可以用几何曲面定义的物体，尤其是若它在屏幕上的投影面积比较大（比如近距离阔叶树，通常可用多边形进行描述．但是自然植物场景通常都高度复杂，一片山坡可能就包括成千棵树、数不清的草叶子．一棵树上有成千上万不同形状不同方向的枝条和叶子．完全用多边形描述这样的场景显然是不可能的，因此，必须采用其它工具来构造和绘制自然植物场景．
2纹元
Kajiya等提出的纹元是构造和绘制短皮毛的有效工具．考虑到自然场景中的许多物体，如草地、松针等，在结构上都与短皮毛有许多相似之处，所以对原始纹元结构作调整后，可用来作为描述自然景物的工具
3体纹理
体纹理是构造复杂自然场景的重要工具．前面介绍的纹元就是一种特殊结构的体纹理．同二维纹理一样，三维体纹理使用的依据也是自然景物的重复性．相同物种在形态和结构上通常都比较类似，比如相同品种的树木、杂草等．对每一品种的植物构造有限个体纹理模型，再将这些体纹理映射到自然场景中，只要对体纹理的映射大小、形状和方向有一定的随机性以避免单一、这样构造出来的自然场景在视觉效果上就可以接近真实场景．
当然，利用体纹理构造和绘制高度自然场景也存在许多困难，主表现在有如下三个方面：
1）如何构造所需的体纹理；
2）体纹理通常是以三维数据阵列存储的，如何解决分辨率和存储量之间的矛盾；
3）绘制体纹理的计算量非常庞大，如何减少运算量使得体纹理技术可以广泛应用。
2.5图形的几何变换
1二维图形几何变换的基本原理
平移变换
缩放变换
旋转变换
对称变换
错切变换
复合变换
2三维图形几何变换
平移变换
缩放变换
绕坐标轴的旋转变换
绕任意轴的旋转变换
2.6总结
前面已经对构造虚拟自然植物场景的各种工具和手段做了比较详细的介绍．利用这些工具和构造方法．我们就可以建立比较复杂的自然场景这样构
造的场景将包括多边形曲面、纹元和体纹理，因此必须采用光线跟踪方法进行绘制．
第三章物体的创建与编辑
3.1物体的创建
所有场景都是由一组预定义物体创建成，分为12种类：
原始物体：
纯粹的数学物体,渲染引擎对物体使用原始数学方程处理物体的位置和形状，以定义原始物体。
原始物体往往是很简单的集合模型，创建相对来说很方便，如球体、圆柱、圆锥、角锥、立方体、圆环和平面等。
无穷平面：
由数学方程式定义，可以在任意方向延展的平面，是没有边界的。
Alpha平面：
由原始平面变化产生，一般用于建立透明贴图图像
地形物体：
特殊的多边形网格，分为标准地形和对称地形。
地形是构建场景最基本的成分。
植被：
多材质的复杂物体
多边形网格：
皮昂面3D外观多边形的结合体
3D文本：
2D文本挤压变形产生的3D形式多边形网格
岩石：
通过复杂运算产生的特殊多边形网格
行星：
大气云层外唯一的物体类型
光：
点光，二次点光，定向聚光，二次定向聚光，平行光
组合体：
分为简单物体和通过运算后的组物体（Boolean物体和Metablobs物体）
3.2物体的编辑
对物体的编辑有：
选择，移动，旋转，扭曲，缩放，改变材质颜色，分散，复制，导出等。
对于不同物体的编辑，主要偏重于以下几个方面：
编辑光时，对镜头光晕的调整，光线凝胶和体积光，以及阴影和光的编辑；编辑植被时，注意风的设置及植被外形等。
第四章渲染及高级渲染
预置渲染质量：
其中包含着一些预置的渲染方法，草图、预览、最终、广播、高级、极好和用户自定义等。
渲染目的地：
包含在主视图中渲染、在屏幕中渲染和渲染到硬盘。
渲染什么：
只渲染被选物体只渲染激活的图层只渲染可见图层全体始终渲染光线使用跳跃体积层级
渲染质量：
Applymaterials（应用材质）Enablesub-rays（可使用次级光线）Tracecastshadows（跟踪投影）Tracereflections（跟踪反射）Tracetransparency（跟踪透射）Enablesuper-sampling（使用高级采样）Softshadows（柔化阴影）等
除此之外还有全景视和图瓷砖渲染等。
实现图像的渲染是完成三维景观创作的最后一步，也是图像质量的最后一个环节，它的好坏直接关系到图像的效果。
由于VUE中存在着多种渲染模式，有必要分清楚各种渲染模式的不同之处在哪里。
可以通过渲染对话框按照自己的需求设定渲染方式，这样还能够方便我们进行复杂场景的创作。
我们还需要了解有关图像纵横比、分辨率等基础知识，这样才能够对图像处理做到有的放矢。
此外，另一个重要而且仍旧有待解决的问题是渲染时间问题。
渲染时间的长短不仅仅是渲染级别的设置，更于场景的照明，体积效果，光线跟踪等有很大的关系，VUE5提供了非常棒的渲染效果，但往往时间较长，不方便使用。
第五章取景
5.1取景工具
Vue5提供了强大的相机功能，让我们能从多角度多方面对场景进行取景，在Vue5中可以非常方便的在直视图中直接移动、旋转和缩放相机，在主视图中直接取景则是首推的方法。
可使用相机控制中心或者物体属性面板设置相机的位置、方向和取景，而对于相机的设置则分为：
1、length相机焦距2、alwayskeeplevel保持水平3、blur模糊4、focus焦点5、exposure曝光。
5.2取景原理和效果
图片的取景原理：
取景和图片创作是需要一定的想象和艺术天赋，而取景和制作必须要注意和处理很多细节，比如想拍一个风景图片必须先花时间决定最佳的图片格式和时间。
选择景点：
景点的选择很关键，要保持在四处移动相机的同时找到最佳景点。
图片格式：
图片的格式会影响图片效果，有时一些创新的的做法可以得到意想不到的效果。
主题：
在决定处理图片的方式以前，先要决定图片的主题。
而为了表现主题我们可以去掉任何可能转移注意力的细节，在主题和环境间制造色彩和阴影的对比，也可使用景深来模糊主题的背景。
平衡：
图片的主题要放在一个突出的地方，这就需要找到主题与其他元素之间的平衡，有些方法比如使用线条和色彩也可以把目光引导到主题上。
光照和形状：
光照条件会影响到看到的形状，也能帮助眼睛感知曲线、起伏和远景等。
线条的作用：
线条时图片的基本组成部分，线条也可引导主题，连接场景中的其他物
体或者产生冲突，达到平衡图片的效果。
第六章材质
材质是Vue5创建图片质量的关键，Vue5中的材质不是在物体上的2D贴图，而是真正的3D物体，并且可以被设计成随环境而变化（海拔、倾斜、方向等）。
Vue5中可编辑简单材质、混合材质和高级材质。
也可使用函数控制材质的设置。
这个简单功
升级会员 