Modeling of an evolving river network with meanders, oxbow lakes and river deltas

Michał Kurowski

Abstract

Development of virtual worlds for use in computer games requires the creation of wast amounts of various content, including three-dimensional terrain. The approach in which the terrain is created manually by a level designer can be time-consuming. The alternative is to emploi procedural techniques, which unfortunately reduce the amount of control over the final results. Currently there is a tendency to combine both approaches by using procedural methods to enhance a manually prepared (e.g. as a sketch) terrain with features like mountains, lakes or rivers. The existing literature describes the creation of rivers using fractals, parametric methods or erosion simulation. The last approach usually has a high computational cost. However, due to its iterative nature, it can be used to present the process of terrain evolution itself. The existing methods rarely address the process of meandering, which is common in natural rivers. The thesis of this work is to show that is is possible to conceive a method of creation and development of meanders, which: • can be used on rivers with tributaries and deltas; • takes into account the emergence of oxbow lakes; • can be easily integrated with other methods of procedural terrain generation. In order to show the validity of the above-mentioned thesis, the author has developed a heuristic algorithm which can create a network of meandering rivers with deltas and can be used on an existing terrain. The presented approach can be integrated into a larger hybrid method used for creation of virtual worlds. It can also be employed in the mechanics of games that feature terrain evolution during gameplay. The proposed method represents river channels as polylines. Terrain is modeled as a triangle mesh. Meander growth is simulated in an iterative manner. For each river vertex a displacement vector is calculated based on the channel curvature, local terrain features and user-defined parameters. Tributaries, billabongs, lakes, river mouth switching and the emergence of wavedominated and tide-dominated deltas have been implemented. Additionally, a simple mountain generation algorithm has been proposed, which uses the data calculated during the meander modeling. A test environment which enables an interactive work with the implemented algorithms has been prepared. The analysis of the results has shown a similarity between the generated rivers and forms present in nature. According to the conducted survey the procedurally modeled river courses are visually attractive and difficult to differentiate from the natural ones.
Rodzaj dyplomuPraca doktorska
Autor Michał Kurowski (WEiTI / II)
Michał Kurowski
- Instytut Informatyki
Tytuł w języku polskimModelowanie ewoluującej sieci rzecznej zawierającej meandry starorzecza i delty
Językpl polski
Jednostka dyplomującaWydział Elektroniki i Technik Informacyjnych (WEiTI)
Dyscyplina naukiinformatyka / dziedzina nauk technicznych / obszar nauk technicznych
Data rozpoczęcia26-03-2013
Data obrony10-03-2015
Data zakończenia 24-03-2015
Promotor Jan Zabrodzki (WEiTI / II)
Jan Zabrodzki
- Instytut Informatyki
Recenzenci wewnętrzni Tomasz Martyn (WEiTI / II)
Tomasz Martyn
- Instytut Informatyki
Recenzenci zewnętrzni Konrad Wojciechowski
Konrad Wojciechowski
-
Paginacja 123
Słowa kluczowe w języku polskimproceduralna generacja, modelowanie terenu, meandrujące rzeki, delty rzeczne, starorzecza
Słowa kluczowe w języku angielskimterrain modeling, procedural content generation, PCG, river modeling, oxbow lakes,
Streszczenie w języku polskimOpracowywanie wirtualnych światów na potrzeby gier komputerowych wymaga przygotowania ogromnych ilości wszelkiego rodzaju treści, w tym trójwymiarowego terenu. Podejście w którym tworzony jest on w całości ręcznie przez twórcę poziomów może być bardzo pracochłonne. Alternatywą jest użycie technik całkowicie proceduralnych, które niestety znacząco redukują kontrolę nad uzyskanymi wynikami. Obecnie daje się zauważyć tendencję do łączenia obydwu podejść poprzez wykorzystanie metod proceduralnych do wzbogacenia wcześniej przygotowanego ręcznie (np. w formie szkicu) terenu o detale takie jak góry, jeziora, cieki wodne oraz inne formy terenowe. Literatura omawia tworzenie rzek przy użyciu fraktali, metod parametrycznych lub erozji. Ostatnie z tych podejść cechuje się zazwyczaj dużą złożonością obliczeniową. Niemniej ze względu na swój iteracyjny charakter, może ono zostać wykorzystane do prezentacji procesu ewolucji terenu. Dotychczasowe metody rzadko uwzględniają powszechne w naturze zjawisko meandrowania. Tezą niniejszej pracy jest pokazanie, iż możliwe jest opracowanie metody tworzenia i rozwoju meandrów: • umożliwiającej pracę z rzekami posiadającymi dopływy i delty; • uwzględniającej powstawanie starorzeczy; • dobrze integrującej się z innymi metodami proceduralnej generacji terenu. Prawdziwość powyższej tezy została wykazana poprzez zaprezentowanie heurystycznego algorytmu tworzenia sieci meandrujących rzek z deltami, który może zostać użyty na już istniejącym terenie. Opracowane podejście może znaleźć zastosowanie przy automatycznej generacji wirtualnych światów jako część większej metody hybrydowej oraz w mechanice gier uwzględniających ewolucję ukształtowania terenu w trakcie rozgrywki. Zaproponowana metoda wykorzystuje łamane do reprezentacji koryt rzecznych. Teren jest modelowany przy pomocy siatki trójkątów. Obliczenia dotyczące wzrostu meandrów są wykonywane iteracyjnie. Dla każdego wierzchołka koryta wektor przesunięcia jest wyznaczany na odstawie „krzywizny” łamanej, lokalnych cech terenu oraz parametrów zdefiniowanych przez użytkownika. Zaimplementowana została obsługa dorzeczy, odcinania się starorzeczy, powstawania jezior, przełączania się ujść oraz powstawania delt zdominowanych przez fale i zdominowanych przez pływy. Dodatkowo zaproponowany został prosty algorytm generacji nierówności terenu, który wykorzystuje dane wyznaczone w trakcie modelowania meandrowania. Stworzone zostało środowisko testowe pozwalające na interaktywną pracę z zaimplementowanymi algorytmami. Analiza uzyskanych wyników wykazała zbieżność rezultatów działania algorytmu z formami spotykanymi w przyrodzie. Według przeprowadzonej ankiety proceduralnie wygenerowane przebiegi koryta są trudne do odróżnienia od naturalnych i jednocześnie atrakcyjne wizualnie.
Klasyfikacja PKT4100
Klasyfikacja KBN28 Informatyka
Klasyfikacja europejska80-30
Plik pracy
Kurowski_doktorat.pdf 16.76 MB

Pobierz odnośnik do tego rekordu

Powrót