基于分形特征的虛擬植物形態(tài)建模方法研究.pdf

1、分形思維自古便有，但分形理論卻是直到最近三十年才得以迅速發(fā)展起來的一門嶄新的理論，主要描述非線性系統(tǒng)中無序、復(fù)雜、不規(guī)則、具有精細(xì)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形態(tài)，揭示了自然界中有序性與無序性、確定性與隨機(jī)性之間的統(tǒng)一，為探索自然界中一些復(fù)雜結(jié)構(gòu)形態(tài)所展現(xiàn)的發(fā)展規(guī)律和內(nèi)在本質(zhì)提供了新的思維和方法。分形植物是自然界的一個不可或缺的組成部分，和人類的生活環(huán)境密切相連，其形態(tài)和功能的模擬一直是研究的熱點。雖然自然界中的植物千姿百態(tài)、千匯萬狀，卻但其結(jié)構(gòu)和本質(zhì)內(nèi)

2、涵大都具有分形特征，可以非常簡單的使用分形理論來進(jìn)行解釋和研究。隨著分形理論研究的深入和應(yīng)用范圍領(lǐng)域的拓展，分形植物模擬在計算機(jī)仿真、人工智能、虛擬現(xiàn)實、農(nóng)林業(yè)研究等技術(shù)以及商業(yè)、環(huán)保、教育、娛樂等領(lǐng)域中得到非常廣泛的關(guān)注和應(yīng)用，有著非常廣闊的應(yīng)用前景。
　　基于分形特征的虛擬植物形態(tài)模擬是以植物的個體或群體作為主要研究對象，并通過量化其生物學(xué)意義和結(jié)構(gòu)特征來對植物的結(jié)構(gòu)、形態(tài)以及植物的動態(tài)生長過程、隨機(jī)生長過程等方面進(jìn)行可視化模

3、擬與仿真。基于分形特征的虛擬植物形態(tài)模擬以計算機(jī)學(xué)為中心，結(jié)合幾何學(xué)、統(tǒng)計學(xué)、生物學(xué)、信息學(xué)等多種學(xué)科的交錯研究。分形植物的研究不僅使信息農(nóng)林業(yè)領(lǐng)得到了廣闊的發(fā)展，同時也為生物學(xué)的進(jìn)一步探索研究提供了有力的依據(jù)。鑒于此，基于分形特征的虛擬植物形態(tài)建模方法研究不僅可以極大的豐富分形植物建模方法，還對植物形態(tài)逼真性和有效性的表達(dá)有極其重要的使用研究價值和深遠(yuǎn)的意義。
　　基于分形特征的虛擬植物形態(tài)建模方法實際上是利用植物自身結(jié)構(gòu)的分形

4、特征采用一定的迭代算法來生成植物模型的方法。當(dāng)今分形植物建模方法主要包括：L-系統(tǒng)、IFS系統(tǒng)、粒子系統(tǒng)、DLA模型、參考軸模型、多尺度自助機(jī)模型等。本文是采用在分形植物建模方面更加靈活的L-系統(tǒng)方法，通過測量和應(yīng)用實體分形植物數(shù)據(jù)，采用Logistic生長方程和MC隨機(jī)方法對對植物并行的生長過程進(jìn)行表達(dá)，并使用B-樣條曲線對植物的彎曲性進(jìn)行可行化論述，本文對基于分形特征的虛擬植物形態(tài)建模的研究工作主要包括以下五個方面：
　　1.

5、對分形理論進(jìn)行深入的研究和分析
　　通過對分形理論的深入理解，總結(jié)歸納出分形的基本性質(zhì)和分形的主要研究方法，分形的基本算法，以及分形植物所具有的分形特征。通過對自然界中分形植物形態(tài)的分析，深入研究分形理論和分形植物的形態(tài)模型。
　　2.使用L-系統(tǒng)方法對分形植物的生理生態(tài)模型進(jìn)行建模
　　結(jié)合 L-系統(tǒng)在分形植物形態(tài)結(jié)構(gòu)的表達(dá)上所具有優(yōu)勢和實際的生物學(xué)實驗數(shù)據(jù)，應(yīng)用 L-系統(tǒng)表達(dá)植物的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和幾何形態(tài)，同時也可以實現(xiàn)

6、分形植物動態(tài)的生長過程，不僅可以極大地豐富和擴(kuò)展了分形理論和L-系統(tǒng)方法，同時也擴(kuò)展了其它的研究領(lǐng)域。
　　3.對植物動態(tài)生長過程進(jìn)行可控性建模
　　采用Logistic生長方程和MC隨機(jī)方法，通過測量真實數(shù)據(jù)得出符合植物生長的參數(shù)，并對植物生長的動態(tài)過程進(jìn)行模擬。以植物生長節(jié)點為初始狀態(tài)，通過參數(shù) L-系統(tǒng)和隨機(jī)L-系統(tǒng)建立完整的分支的生長規(guī)則，實現(xiàn)虛擬植物拓?fù)湫螒B(tài)的模擬。
　　4.在三維空間上對植物分支彎曲性表達(dá)<