[发明专利]一种基于纵向切分的风吹无叶树的摇曳模拟方法有效
申请号: | 201510069829.1 | 申请日: | 2015-02-10 |
公开(公告)号: | CN104616337B | 公开(公告)日: | 2017-11-28 |
发明(设计)人: | 王映辉;唐婧;张缓缓;郝雯;宁小娟;石争浩;赵明华;周红芳 | 申请(专利权)人: | 西安理工大学 |
主分类号: | G06T13/60 | 分类号: | G06T13/60 |
代理公司: | 西安弘理专利事务所61214 | 代理人: | 李娜 |
地址: | 710048*** | 国省代码: | 陕西;61 |
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摘要: | |||
搜索关键词: | 一种 基于 纵向 切分 风吹 无叶树 摇曳 模拟 方法 | ||
技术领域
本发明属于计算机图形学和虚拟现实相结合的交叉学科技术领域,具体涉及一种基于纵向切分的风吹无叶树的摇曳模拟方法。
背景技术
自然场景仿真一直是计算机图形学和虚拟现实的一个重要研究领域,在计算机动画,影视特效及虚拟现实等方面具有广泛的应用。而树木的动态模拟是自然场景仿真中的关键问题。无叶树作为树的一种典型代表,在虚拟场景中合成其逼真的摇曳效果,直接影响着场景的真实感。
大气中的风对树的运动起到了至关重要的作用,风作为无形的流体,其形态复杂多变,并不断影响着周围的环境,对于无叶树的摇曳来说更是如此。要实现风力作用下的无叶树的摇曳的实时模拟,需要大量的计算和研究。因此,如何对无叶树的摇曳运动进行实时逼真地模拟就成为计算机图形学和虚拟现实中一个极具挑战性的问题。
近年来,国内外学者一直关注树木摇曳的建模和可视化的研究,并对其进行大量的积极探索。目前针对树木摇曳建模的方法较多,其中运用最广的方法是:基于过程式动画方法、基于物理的模拟方法以及基于视频的树木摇曳效果模拟。
过程式动画方法是利用经验公式来模拟树木的动态摇曳效果。针对树的枝条形变,采用关节形变方法,通过改变各段枝条间的夹角模拟枝条的弯曲。孙建发等人提出在三维树的递归生成过程中应用矢量合成原理,生成树在风中运动的动画。Ota等人采用1/fβ噪声函数描述树枝摇摆时夹角的改变,利用与静态弹簧模型相结合,实现实时模拟树木动态摇曳效果。
基于物理的模拟方法是对树木摇曳的物理机理进行合理的建模,通过构造、求解动力学系统方程组,实现树木的动态摇曳效果。Diener等人采用模态分析从3D树的力学模型中提取形变模型。Pivato等人也是采用模态分析的方法模拟树的动态运动,由于树在力的作用下弯曲的位移与受到的力的大小不是线性相关的,该方法通过引入树在风力下弯曲时产生的阻力,以解决树弯曲的几何非线性相关的问题。同样的,他们忽略了树的局部在风力作用下的运动情况。
基于视频的树木摇曳效果模拟方法是利用实拍的树木摇曳动画视频反求出视频中的树木运动信息,从而实现新的树木动态摇曳效果。Diener等人通过对一段包含树木盆景的摇曳动画视频进行跟踪获取其特征点的运动情况,从而得到树木盆景的三维形变信息,并将形变迁移到新的与之相似的三维树木模型上合成其动态摇曳效果。
然而,目前这些相关的方法对树在风中的摇曳运动的研究均是基于树完全处于风影响的状态下进行模拟的。但对于无叶树的某一部分与风发生相互作用产生摇曳运动的模拟研究较少。根据日常观察可以发现,风吹过森林时,往往会出现高一些的树在随风运动,而低一些的树是静止的。同样也会出现低层的树运动,而高层的树却静止的现象。这是由于地域的差异、风的形成机制以及外界环境的影响,使得空气只在某一范围内流动。也就是说,存在树的某一部分而非整体,与风发生相互作用,从而产生摇曳运动。针对这一特点,我们采用一种局部无叶树在风力作用下的实时模拟方法,重建出无叶树的某一部分与风发生相互作用产生摇曳运动的模拟。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于纵向切分的风吹无叶树的摇曳模拟方法,解决了现有技术中存在的仅适用于无叶树完全处于风影响状态下的模拟,无法重建出无叶树的某一部分与风发生相互作用产生摇曳运动的模拟的问题。
本发明所采用的技术方案是,一种基于纵向切分的风吹无叶树的摇曳模拟方法,具体按照以下步骤实施:
步骤1、结合大气动力学和噪声技术,建立风场模型及给出风力计算方法;
步骤2、采用纵向切分的方法划分无叶树;
步骤3、利用悬臂梁模型分别模拟每一等份内的树干和树枝的运动,通过叠加每一等份的运动来实现风场内整个无叶树联动的模拟。
本发明的特点还在于,
步骤1中风场模型的建立具体为:
平均风的数学模型为:
其中,uWR表示参考高度HR上的平均风速;uW表示高度为H处的风速;m表示风速随高度变化的指数,受地面粗糙度和大气稳定性的影响;
随机风为在平均风的基础上添加Perlin噪声,数学模型为:
V=V0·sin(ωt+β)+α·PerlinNoise(t) (2)
其中,V0为风初始速度,V是t时刻的风速,PerlinNoise(t)函数是以时间t为变量的Perlin噪声函数;
步骤1中风力的计算方法为:
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