植物生長三維動畫關鍵技術研究

李輝　張霞　葉煜

摘 要： 植物生長三維動畫已經越來越廣泛地應用在各個領域，如城市規劃、影視娛樂、廣告宣傳等。對植物生長三維動畫的研究內容、演示方式、動畫特點進行歸納與概括。從軟件技術的角度對植物生長三維動畫的表現形式、研究現狀、關鍵技術、制作方法、適用對象、優缺點進行研究、分析和比較，對該領域未來的發展趨勢進行了展望。為有效推進植物數字可視化建設和提高動畫創作效率提供參考。

關鍵詞： 三維技術； 植物； 生長； 動畫

中圖分類號：TP391 文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228（2015）08-18-02

Research on key technology of plant growth 3D animation

Li Hui， Zhang Xia， Ye Yu

（Department of Electronics and Information， Chengdu Vocational College of Agricultural Science and Technology， Chengdu， Sichuan 611130， China）

Abstract： 3D animation of plant growth has been more and more widely used in many fields， such as urban planning， film and television， entertainment and advertisement. This paper presents an overview on the plant growth animation pattern， the status quo of research， key technology， principle and methods， applicable objects， advantages and disadvantages. The development trend of this field is prospected. It is useful to effectively promote the construction of digital visual and improve the efficiency of animation production.

Key words： 3D technology； plant growth； animation； digital visual

0 引言

植物是大自然的重要組成部分，隨著計算機三維動畫技術的發展，植物生長三維動畫被廣泛應用于教育、科研、遙感、游戲、數字影視等眾多領域。

1 植物生長三維動畫的生長方式

經過大量的理論和實證研究，總結了植物生長三維動畫方式，主要有以下幾種。

⑴ 破土而出式

植物最初是生長在暗地里的一顆種子，慢慢破土而出，拔節而長，枝繁葉茂，開花結果。這類生長動畫便于演示植物動態的生長過程，營造出生命和希望爆發的活力。

⑵ 藤蔓伸展式

不少影視作品和建筑藝術動畫中都能看到藤蔓植物慢慢伸展，絕強地依附攀援，增加場景生機和活力的景象。除了綠化的作用，這類動畫給人以在逆境中不屈服，頑強展示生命力和活力之意。

⑶ 層疊上升式

層疊上升式比較符合林木類植物的生長規律。植物按照一定的層次從地面節節往上拉升，葉子、花、果等則以粒子形態般急劇增長，就像地面賦予無窮無盡的生命力和活力一樣，給人以強烈的視覺沖擊和神奇的創意享受。

⑷ 迷幻障眼式

迷幻障眼式是植物生長中比較虛幻、神化的方式，好比變魔術，往往借助于強烈光效、迷幻煙霧等效果來實現，光效、煙霧之后植物出現在面前。

圖1 植物生長三維動畫方式

2 植物生長三維動畫關鍵技術

植物生長三維動畫有許多方法。3ds max、MAYA等三維軟件都帶有植物模型，粒子系統也能實現植物生長動畫效果。但是三維軟件自帶的植物模型種類較少，粒子系統又難以實現較為真實、自然的生長動畫效果。植物插件的出現，能有效解決動畫效果和創作效率上的問題，成為三維動畫創作的熱門工具。下面就幾款主要的植物插件進行分析和比較，以助于提高應用者的動畫創作效率。

2.1 Ivy Generator和Guruware Ivy插件

Ivy Generator是德國康斯坦茨大學開發的一款藤本三維軟件，主要用于模擬以攀爬為主的藤本或草本植物的生長。通過對生長參數的調節，可隨機生成不同形態的藤本植物模型。其特點是不需要應用復雜的植物生長機理模型，側重于計算機圖形學，迅速生成逼真的植物模型，追求基于視覺效果的真實性[1]。但Ivy Generator不能直接實現植物生長動畫，只有將模型輸出成OBJ和MLT材質物體，再導入3ds max等三維軟件中制作動畫效果。該插件的系統耗用較大，不適合表現大規模的植物場景[2]。

Guruware Ivy是Ivy Generator的改進版本。Guruware Ivy使用更方便，功能亦有增強，通過為Age（藤蔓年齡）屬性設置關鍵幀可以輕松實現藤蔓生長、攀爬的動畫效果[3]。

2.2 XFrog

XFrog是德國Greenworks公司開發的三維植物軟件，可實現植物的直觀交互建模和生長模擬。XFrog所有的樹葉、枝干、花朵等都采用實物掃描，使得模型更加真實，開放的光年系統和層級的表現方式，使其操作性更簡便，可控性更強[4]。XFrog在植物生長模擬過程中，通過關鍵幀動畫實現，有兩種方法。①起始和結束關鍵幀為同一關鍵幀。可以保證模型擁有相同的拓撲結構，生成動畫較為平滑。但應盡量減少直接修改植物參數的操作，否則會大大降低動畫的真實感。②起始和結束關鍵幀為不同關鍵幀。可以把起始關鍵幀的模型細化，缺點是XFrog插補的部分較多，不如第一種方法的動畫效果平滑自然[5]。

2.3 GrowFX

GrowFX是俄羅斯Exlevel公司基于3ds max平臺開發的一款植物插件，可創建參數化的樹木、花草及其他植物模型，自由創建風力和生長動畫效果，前提是要有GrowFX調節出來的未塌陷的文件[6]。GrowFX除了可使用官方的植物庫資源，還有靈活的自由度。通過植物年齡、生長方向、風效、動畫效果等隨機參數的調節，快捷得到植物的其他形態。

2.4 Vue

Vue是一個專業的CG景觀設計工具套組，可以制作出逼真的自然環境，還可以和3ds max等三維軟件套用。Vue可以在現有植物庫基礎上進行再加工和改造，容易產生新的植物形態和物種，根據用戶實際需要自由形成植物生長、形態變化等動畫效果。Vue操作簡便、場景表現逼真。云計算的建模方式、快速的渲染時間等特點，使得它特別適合表現自然空間大場景，主要用于中、遠景表現[7-8]。

2.5 T-Gen插件

T-Gen是第一個完全整合進SoftImage|XSI的植物生成插件，擁有強大的靈活性和無窮的可能性。可以使用幾乎所有XSI工具對其產生的植物模型、材質、層級結構做進一步修改。T-Gen各類參數幾乎都可用于設置動畫效果，強大的優化工具使其在植物生長動畫方面有著快速、高效的優勢。

2.6 SpeedTree、TreeStorm和Forest Pack Pro

SpeedTree、TreeStorm和Forest Pack Pro都是目前在建筑漫游動畫和園林設計中比較常用的植物插件，擁有強大的植物庫，模型真實感強，繪制效率高，支持植物動力學，可模擬風吹植物動畫效果，分別適宜表現中近景和大片的遠景植物[9-10]。但它們沒有植物生長動畫功能，憑借豐富的軟件開發接口可以和3ds max等三維軟件結合使用，以實現植物生長動畫效果。

3 結束語

植物生長三維動畫將緩慢的植物生長過程動態化、形象化展現。本文所介紹的幾種植物三維生長動畫關鍵技術，因各自不同的特點和優勢，在表現一些大型的自然場景中，往往需要把多種方式相結合。

由于植物結構復雜，表面細節豐富，使其無論在三維建模、動態模擬方面都存在較大難度，以下問題有待進一步深入研究：①當前主要實現單株植物的三維模擬，缺乏對于大規模植物生長動畫場景的模擬研究；②植物形態受到光照、風力、溫度等自然環境因素影響，對更為復雜、逼真的植物生長交互模擬將是未來的一個重要研究方向。

參考文獻：

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