虛擬植物器官生長(zhǎng)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(chǎng)景仿真系統(tǒng)、虛擬娛樂(lè)、科研、教育等諸多領(lǐng)域具有很高的應(yīng)用價(jià)值。植物的建模表示與真實(shí)感繪制一直是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)之一。而對(duì)于植物這一形態(tài)各異、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的對(duì)象，其生長(zhǎng)和變化往往蘊(yùn)含著錯(cuò)綜復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)和生物學(xué)規(guī)律與機(jī)理。相對(duì)于植物結(jié)構(gòu)模型的研究，植物器官動(dòng)態(tài)建模的研究較少見(jiàn)到；基于圖像和生物學(xué)原理的器官建模具有重要的研究?jī)r(jià)值。本文基于圖形圖像技術(shù)、動(dòng)

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(dòng)下的植物器官生長(zhǎng)建模，力求在形態(tài)真實(shí)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(dòng)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(dòng)重建方法。首先建立控制分枝結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)的二維層次自動(dòng)機(jī)模型。對(duì)同種植物不同植株生長(zhǎng)單元和葉元兩級(jí)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(shù)分析生長(zhǎng)單元的統(tǒng)

3、計(jì)特征及轉(zhuǎn)移關(guān)系，隱狀態(tài)標(biāo)記具有不同統(tǒng)計(jì)特征的各類(lèi)生長(zhǎng)單元，并采用半馬爾可夫鏈描述產(chǎn)生各類(lèi)生長(zhǎng)單元的葉元序列。多尺度分析結(jié)果作為二維層次自動(dòng)機(jī)模型的參數(shù)，自動(dòng)控制三維重建過(guò)程。最后提出了通過(guò)對(duì)植物采樣數(shù)據(jù)分析自動(dòng)生成L系統(tǒng)的方法，使得特定植物的生長(zhǎng)規(guī)律可以由基于數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的方法自動(dòng)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(shí)現(xiàn)了植物器官輪廓線的擬合。搜索過(guò)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(shí)通過(guò)建立輔助存儲(chǔ)空間保存粒子群的歷史非劣最優(yōu)解，并計(jì)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(guò)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(jì)算B樣條曲線節(jié)點(diǎn)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(shí)現(xiàn)生理參數(shù)多尺度變化從而驅(qū)動(dòng)葉片生長(zhǎng)變形的算法。首先采用二維層次自動(dòng)機(jī)產(chǎn)生植物各器官的分枝結(jié)構(gòu)，通過(guò)擾動(dòng)函數(shù)實(shí)

5、現(xiàn)生理參數(shù)與植物生長(zhǎng)刺激的互動(dòng)。其次植物生長(zhǎng)刺激在修改各器官內(nèi)部細(xì)節(jié)的同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了對(duì)外部環(huán)境參數(shù)的影響，外部環(huán)境參數(shù)的變化反過(guò)來(lái)又實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(shí)現(xiàn)葉脈紋理的變化，最后通過(guò)可控網(wǎng)格面的卷曲實(shí)現(xiàn)葉片的三維形變。仿真實(shí)驗(yàn)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(guò)程。
　　 論文在深入分析Prusinkiewicz等利用參數(shù)L系統(tǒng)和語(yǔ)義相關(guān)L系統(tǒng)模擬植物

6、的連續(xù)生長(zhǎng)過(guò)程的基礎(chǔ)上，提出了一個(gè)花開(kāi)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(lái)，展現(xiàn)花開(kāi)完整的生長(zhǎng)過(guò)程，建立了符合生物學(xué)原理的動(dòng)態(tài)生長(zhǎng)模型。
　　 最后提出了一種基于參數(shù)化曲線方程的植物果實(shí)造型方法，并在該造型方法的基礎(chǔ)上，針對(duì)果實(shí)生長(zhǎng)變化問(wèn)題，提出了在參數(shù)方程上疊加擾動(dòng)函數(shù)的解決方法。并通過(guò)三維Morphing建立了兩個(gè)已有果實(shí)模型間的漸變模