摘 要

一方面，植物的研究在探索自然的过程中十分重要，而对树木的研究在其中又占据着无可替代的作用。而另一方面利用三维点云数据进行对物体进行模型的构建一直以来是林学，土木工程学，建筑学，地质学等众多学科进行课题研究的重要方法之一。与此同时，在过去的一段时间内，虽然人类将大量的心血投入到对其绘制算法的研究，但在实际效果上却无法令人满意，对其动态的模拟研究更是少有人去涉及。故此，作者将通过激光扫描得到的树木的激光点云数据提取的树木几何与拓扑特征和相关数学与物理上的模型方法相结合尝试对树木的动态进行研究。

本文研究有以下几个步骤：

1.使用三维地面激光扫描仪，水平扫描角度为360’,垂直扫描角度为320’。得到相关的点云数据。

2.建立基于噪音理论与在空气动力学基础上的风速数学模型。计算作用在树上的风强度的大小。

3.采用噪音计算和L系统来建立树的整体结构动态模型。并使用链表存储该模型的相关数据。

4.采用深度优先遍历算法去遍历树模型的各个枝段。在此基础上通过相关的数学方法去研究树的运动情况。

5.研究树叶的相关运动，并采用经典力学去进行相关问题的研究。

6. 本课题采用vs2015与OpenGL 作为开发工具并结合通过激光点云提取的相关数据，实现对树木的动态模拟。

关键词： 动态模拟, 树， 树叶，OpenGL，激光点云

Analysis of plant stress based on laser point cloud

Abstract

On the one hand, the study of plant exploring natural process is very important, and the study of trees in which they occupy an irreplaceable role. On the other hand, the use of three-dimensional point cloud data for model objects Construction has been one of the important methods in forestry, civil engineering, architecture, geology and many other disciplines of research. At the same time, in the past period of time, although mankind will put a lot of effort to study its rendering algorithms, but the actual effect is not satisfactory, it is a dynamic simulation of very few people to get involved. Therefore, the author obtained by laser scanning the trees laser point cloud data extracted from trees Geometry and Topology features and related mathematical and physical modeling approach combining attempt to study the dynamics of trees.

This paper has the following steps:

1. The use of three-dimensional terrestrial laser scanner, the horizontal scanning angle of 360 ', the vertical scanning angle of 320'. Get relevant point cloud data.
2. Establish noise theory and mathematical model based on wind speed aerodynamics basis. Calculate the size of a tree in wind strength.
3. Use noise computing and L systems to create a dynamic model of the overall structure of the tree. And use the list to store data related to the model.
4. Depth-first traversal algorithm to traverse each segment tree branch model. On this basis, to study the movement of the tree through the relevant mathematical methods.
5. Research related to the movement of the leaves, and the use of classical mechanics to conduct research related issues.
6. This paper uses vs2015 and OpenGL as a development tool in conjunction with a laser point cloud data extraction, to achieve dynamic simulation of trees.

Keyword: Dynamic simulation, trees, leaves, OpenGL, laser point cloud

目录

第一章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.2 国内外植物动态模拟的研究现状 1

1.3 研究意义 2

第二章 激光点云介绍 3

2.1 激光点云简介 3

2.2 激光点云数据的获取 3

第三章 树木动态模拟重建 4

3.1 树模型建立的准备 4

3.2 风场的数学模型与树建模方法 7

3.3 树叶运动分析 13

第四章 树受力三维系统重建 17

4.1 系统设计流程 17

4.2 渲染 18

4.3 参数设置 21

4.4 碰撞检测 22

4.4 碰撞响应 23

第五章 总结与展望 23

5.1 总结 23

5.2 展望 23

致谢 24

参考文献 25

绪论

1.1研究背景

随着科技的不断进步和发展，人类已经不仅仅满足于对事物的静态逼真模拟，渐渐追求对大自然的动态的在现。而这也是计算机图形学重点研究的方向之一。从游戏画面的变化，也可以反映出这一趋势。从早期的诸如仙剑奇侠传一中的背景简陋的画质，到仙剑奇侠传三中静态逼真的画面，再到使命召唤中的动态的风与交战时候的炮火逼真场景。人们在现实世界虚拟化的要求越来越高。人们渴望不必亲临现场就可以感受到现场的状况。在游戏中，玩家不必亲自上战场，就能够感受到士兵在战场上经历的紧张的心情，同样在生产中，管理着通过计算机三维动态模拟就可以知道生产场地的状况。对植物的模拟主要是对植物的生长情况进行模拟和对植物在外界受力等情况进行模拟。而植物所受到的外力主要是风的作用力。在本文中，主要是通过对树木在风场中进行数学建模来进行相应的分析和三维重建。

1.2 国内外树木动态模拟的研究现状

在现实世界中，每夏天来临，当微风吹过的时候，随处可见树木随着风的吹拂而在摆动，然而，当我们准备用计算机去模拟这一常见的自然现象的时候，会深深的体会到一句古语“知易行难”，看似简单的事情，但在其中却包含了很多学科的知识，如物理学中的空气动力学，如材料学，如对激光扫描器的使用等等。在实现过程中，我们还需要考虑各种自然环境对树木的影响。如在雪中的情景，在风中的情景和在雨中的情景等等。在进行研究时，我们是站在巨人的肩膀上，在这领域大量的优秀的学者专家做出了很多重要的贡献。目前，关于树木的建模方法，可以分为基于过程，基于对面体，基于图像真实感等等。而这些建模方法中，有些又可以与生物学中的相关方法相联系。如基于L-系统的建模技术，迭代系统函数方法，基于粒子系统的建模方法等等。虽然，从逼真角度来说，基于从图像中获得信息去建模的效果不错，可是由于这中方法忽略了树木之间的差异，对于底层树木之间的相关联系很难说明。另外，虽然基于多面体建模方法在与森林资源结合方面有着数据量相对比较小，绘制速度迅速，却在一般情况下在对树木的细节表达方面不够完善。在对树木进行动态模拟等方面，国内外的研究人员取得了一定的成果。Sakaguchi利用树木照片来获取相应的数据，并且与流体力学中的相关原理相结合，对树木进行三维动态重建。Reffye采用L-系统去对树木进行构建，另外根据查找，还有通过使用流,汇,源,涡的一些简单叠加从而达到对风流动的设计和控制来对树叶在受到风的作用下进行摆动。这是由Wejchert与Haumann 提出的。通过Perlin噪音函数产生湍流风场，与此同时使用弹簧质量模型去计算树发生的形变，这是由Ono采用递归算法去构建的整棵树模型结构。Shinya将积分运算作为工具，通过对随机理论的应用去研究风场中树的形变。

1.3 研究意义

在现实中，有些地方是普通人无法到达的，如冰封的南极，如火山内部，如地壳，如原始森林和荒芜人烟的草原沙漠等等。虽然可以通过探险家去帮我们用摄影机去记录，但是仍然没有身临其境的效果。我们可以使用虚拟技术去重现这些环境使得我们能够体会到身临其境的感觉。另外，有些已经被破环的古迹如圆明园，如巴比伦塔等等可以使用虚拟技术去重现于我们面前。其中，对树木的三维动态重建是其中最基础又是极其重要的一步。如今，在经历过无数次的自然灾害后，人们已经深刻意识在自然面前人类的渺小与无助，园林规划在城市建设中发挥着举足轻重的重要。随着国家倡导的智慧城市建设的推进，该模型在城市仿真系统研究中发挥着重要作用。现在在此系统中，树木的静态模拟仍然占据着主流地位。将对树木的三维动态模拟加入到场景中同样是此系统的研究内容之一。

激光点云介绍

2.1 激光点云简介

将激光作为工具，在相同的空间坐标系下，我们使用该工具将会得到在空间直角坐标系下的物体表面的每个采样点的坐标。这些坐标形成一个点集，包含着目标的空间分布和表面特征。而用“点云”代表这个集合。诸如在空间中的分辨率，点的位置的精度和在表面的法向量等都是点云的相对应的属性。

物体的相对三维坐标(XYZ)与激光的反射强度（Itensity）是根据激光丈量原理得到的。