虛擬植物器官生長和變形技術(shù)研究.pdf

1、虛擬植物可視化技術(shù)的研究，是虛擬農(nóng)業(yè)研究的重要組成部分；在數(shù)字農(nóng)業(yè)、大型自然場景仿真系統(tǒng)、虛擬娛樂、科研、教育等諸多領(lǐng)域具有很高的應(yīng)用價值。植物的建模表示與真實感繪制一直是計算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域研究的熱點和難點之一。而對于植物這一形態(tài)各異、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的對象，其生長和變化往往蘊含著錯綜復(fù)雜的動力學(xué)和生物學(xué)規(guī)律與機(jī)理。相對于植物結(jié)構(gòu)模型的研究，植物器官動態(tài)建模的研究較少見到；基于圖像和生物學(xué)原理的器官建模具有重要的研究價值。本文基于圖形圖像技術(shù)、動

2、力學(xué)和生物學(xué)原理，從植物的表達(dá)模型出發(fā)，研究了如何模擬生理機(jī)制驅(qū)動下的植物器官生長建模，力求在形態(tài)真實感以及繪制效率之間取得較好的平衡，以滿足虛擬植物器官動態(tài)展示的需要。
　　 在分析了植物模型的基本概念和常用虛擬植物建模方法后，給出了一種基于多尺度分析的虛擬植物分枝結(jié)構(gòu)三維自動重建方法。首先建立控制分枝結(jié)構(gòu)生長的二維層次自動機(jī)模型。對同種植物不同植株生長單元和葉元兩級組織的形態(tài)和幾何數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，用隱馬爾可夫樹分析生長單元的統(tǒng)

3、計特征及轉(zhuǎn)移關(guān)系，隱狀態(tài)標(biāo)記具有不同統(tǒng)計特征的各類生長單元，并采用半馬爾可夫鏈描述產(chǎn)生各類生長單元的葉元序列。多尺度分析結(jié)果作為二維層次自動機(jī)模型的參數(shù)，自動控制三維重建過程。最后提出了通過對植物采樣數(shù)據(jù)分析自動生成L系統(tǒng)的方法，使得特定植物的生長規(guī)律可以由基于數(shù)據(jù)統(tǒng)計的方法自動生成。
　　 論文提出了利用基于粒子群的搜索算法確定B樣條曲線插值所需的控制參數(shù)的方法，實現(xiàn)了植物器官輪廓線的擬合。搜索過程中采用了多目標(biāo)優(yōu)化策略，從而

4、使得所擬合的曲線既能較好的逼近原始輪廓線又能夠達(dá)到平滑的效果。同時通過建立輔助存儲空間保存粒子群的歷史非劣最優(yōu)解，并計算最優(yōu)解之間的距離保持解的多樣性以防止粒子群算法的過早收斂；采用分治與遞歸的思想調(diào)整了粒子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高了計算B樣條曲線節(jié)點參數(shù)的靈活度，達(dá)到了多分辨率插值的效果。
　　 論文提出一種利用反饋控制系統(tǒng)實現(xiàn)生理參數(shù)多尺度變化從而驅(qū)動葉片生長變形的算法。首先采用二維層次自動機(jī)產(chǎn)生植物各器官的分枝結(jié)構(gòu)，通過擾動函數(shù)實

5、現(xiàn)生理參數(shù)與植物生長刺激的互動。其次植物生長刺激在修改各器官內(nèi)部細(xì)節(jié)的同時也實現(xiàn)了對外部環(huán)境參數(shù)的影響，外部環(huán)境參數(shù)的變化反過來又實現(xiàn)了對器官分枝結(jié)構(gòu)的剪枝。然后在渠化管網(wǎng)假設(shè)基礎(chǔ)上利用反應(yīng)-擴(kuò)散原理實現(xiàn)葉脈紋理的變化，最后通過可控網(wǎng)格面的卷曲實現(xiàn)葉片的三維形變。仿真實驗表明本方法能夠較好的模擬植物葉片的紋理和形狀隨生理參數(shù)改變而變化的過程。
　　 論文在深入分析Prusinkiewicz等利用參數(shù)L系統(tǒng)和語義相關(guān)L系統(tǒng)模擬植物

6、的連續(xù)生長過程的基礎(chǔ)上，提出了一個花開解決方案：以Bézier曲面的方法建立花的幾何模型，如花瓣、萼片等，以環(huán)境交互的L-system將這些Bézier曲面組合起來，展現(xiàn)花開完整的生長過程，建立了符合生物學(xué)原理的動態(tài)生長模型。
　　 最后提出了一種基于參數(shù)化曲線方程的植物果實造型方法，并在該造型方法的基礎(chǔ)上，針對果實生長變化問題，提出了在參數(shù)方程上疊加擾動函數(shù)的解決方法。并通過三維Morphing建立了兩個已有果實模型間的漸變模