摘要：主要實現了面向大規模植被繪製的實時構建和增強技術。本文主要採用了混合式的植被繪製技術。對不同場景和視點的需求，依靠多細節層次，提供不同繪製效果。即使同樣是模型或者Billboard，也通過不同的處理方式（Billboard Cloud、聚類歸併等），滿足不同的繪製目的。另外，在效果處理時，我們將複雜的效果通過預處理結果進行生成。無論是關節運動，還是陰影圖，大氣散射，都會離線生成繪製所需的物理資源數據，在實時處理時使用過程式方法進行高速模擬。最後，我們還實現了高效智能的數據準備和組織方案。
在關鍵技術的運用上，主要突出了針對植被規模進行的漸進式處理和時空折衷的權衡。不同於傳統的多層次控制策略，我們並不會嚴格地對植被類型進行層次化處理，而是綜合運用多種繪製手段，配合地形和場景信息進行細節的切換。
關鍵詞：大規模，Billboard，多細節層次，過程式動畫，智能編輯
第一章 introduction
按照繪製基元的不同，植被的繪製技術主要分爲以下四個大類：基於幾何LOD的繪製技術、基於體紋理的繪製技術、基於點基元的繪製技術和基於圖像的繪製技術。這些算法都能夠在一定條件下快速繪製一定規模的植被場景，但大都是以單個植被樣本爲單位進行處理的，當場景規模進一步增大時，其繪製效率都會顯著降低，如何進行適當的處理，是當下樹木快速繪製的關鍵。
介紹了以上四種技術和植被運動的相關技術
表1.1 傳統繪製技術優劣比對
對於大規模植被的運動，我們希望可以在上述選定的繪製模型基礎上，達到以下四個要點：大規模，森林場景的規模足夠龐大，樹木和花草的支持種類足夠多；全動態，場景中的植被都可以在風場的作用下發生形變，都會隨風力作用產生搖曳並具有一定真實感；實時性，運動的處理不會對原有的繪製帶來過大負擔，不會影響全局對幀率的要求（按當前系統負載，樹木繪製模塊不超過2ms）；高質量，植被髮生運動時，不會影響原有的真實感，不會因爲運動帶來視覺上的強烈反差。爲實現以上目標，結合上述三種繪製方案：
表0.2 運動繪製技術優劣比對
與其他兩項技術相比，過程式動畫的方案具有速度快的顯著優點，同時又可以滿足一定的真實感要求，符合Viwo系統本身的需求。同時，可以藉助預求解部分動力學方程，在圖像層面上進行預處理和渲染的方法，將基於物理動力學模型的精細效果合成過來，以提升經驗方程的質量。
第二章 大規模植被繪製技術
1.billboard
頂部信息可以使用四個面依靠圖像拉伸圍成側頂的方法模擬。遠距離觀察，使用多樹葉面片的billboard不一定比單張高精度billboard紋理要好。但billboard的優點在於可以輕鬆替換紋理表達季節更替、品種變換。
葉片billboard不通用的最大問題就在於不同樹木葉片排布方案不同，存在裂縫問題和枝幹連通性丟失問題。解決了接縫問題，我們就可以統一將葉片表達成Billboard的結構。同時，也就可以利用圖像處理技術，爲Billboard添加法向圖、陰影圖等，從而利用基於圖像的繪製，解決簡單模型在場景中的表達問題。
2.billboard Cloud
Billboard Cloud本質上是一種模型簡化的方法。簡化處理過程的思路是在一個誤差控制範圍內把含有巨量多邊形、貼有紋理的輸入模型投影到一系列近似原幾何體的平面。算法中最困難和消耗計算的部分就是推導這些平面集。傳統的Billboard採用固定位置的面片來表達的信息，Billboard Cloud使用算法生成一系列的面片來表達。
通過懲罰值、貢獻度、有效性等參數的計算對面片的取捨進行調優，避免水平和垂直面，儘量選擇近似相切的平面以保留更多信息
3.超大規模樹木繪製（聚類歸併）
藉助Billboard方法的思想，我們可以採用點基元來簡化樹木，達到一個較好的效果。首先我們將樹木的位置信息用點精靈的方式表達。基於如此衆多的點屬性，可以通過聚類的方式，將他們劃歸到較爲稀疏的位置上。在實時繪製的過程中，依賴聚類結果，再將大片的樹木歸併到少數的面片上，從而極大地減少繪製樹木所需的資源，同時不喪失視景內的植被規模。
首先，我們預處理樹木的點數據，將每個對象看作一個簇；然後按照選定的度量方式（最大距離、最小距離、平均距離等五種計算方式），計算每兩個簇之間的距離；接着，將度量值最小的兩個簇合併成一個新簇；不斷重複該過程，直到終止
聚類過程的結果，是一顆表達樹木位置屬性關係的聚類樹。在繪製過程中，需要根據這顆搜索樹，實時對點精靈進行歸併，歸併過程依賴於視點的位置信息。
3.2光照陰影：
樹木光照和陰影的計算，基本方式爲：對於面片表達的樹木，計算其法向，然後根據材質和法向信息計算漫反射，最後添加環境光進行渲染。將渲染得到的結果記入緩衝區中，得到一張陰影圖，根據得到的陰影圖，就可得繪製出真實感較高的光照和陰影效果；對於圖像表達的樹木，首先根據原始幾何信息，得到一張對應的法向圖，然後按照每個像素的法向信息，在顏色值上疊加漫反射，最後添加全局的環境光，渲染得到有明暗光照變化的真實感紋理。接着按照光源的位置，將圖像進行投影，去掉投影區域中透明的部分，得到對應的陰影區域。
- 雨雪煙霧的影響：
在像素空間中，將天氣效果模糊疊加到植被效果上即可。