植物生长模拟与可视化研究

论文摘要

虚拟植物是利用计算机模拟植物的生长发育,并用可视化技术将该过程进行展现的技术。它的研究涉及到计算机、数学、植物学、农业、林业以及生态学等多个学科,并在农业、大型自然场景仿真系统、娱乐、科研、教育等诸多领域具有很高的应用价值。植物生长模拟与可视化是虚拟植物研究中最重要的两个关键技术,也是虚拟植物研究的核心问题。论文主要针对这两个问题进行了研究。其中植物生长模拟是根据植物生长的初始信息、环境因素和植物的生长规律,计算出植物生长过程中各个生理阶段的生理和形态特征;可视化是在植物生长模拟的基础之上,用计算机图形学技术将植物生长过程中的形态变化在计算机屏幕上以二维或者三维图形的方式展现,从而直观的再现植物的生长。论文完成的工作主要包括以下几个方面:(1)提出了基于虚拟器官的植物生长模拟方法。该方法将真实植物器官的生理和形态属性抽象为虚拟器官的属性,以虚拟器官间的关系构成虚拟植物的形态,并通过对虚拟器官属性的变化来实现整个植物生长过程的模拟。其中虚拟环境通过环境变化规则来模拟环境的改变。生长规则依据虚拟器官的属性和当前的环境属性来决定下一生长周期虚拟器官属性的变化。3D引擎通过读取各个虚拟器官的属性来展现植物的3D形态。该方法能够模拟环境影响下植物的生长,并且解决了L系统存在的不足。(2)提出了基于Bezier曲线的植物果实建模方法。该方法通过Bezier曲线构造果实主轴线和截面曲线参数方程,从而计算出果实的三维形态,可用于茄子、香蕉、西瓜等植物果实的建模。为解决果实的形变问题,提出了在曲线方程上叠加扰动函数的方法。并通过应用三维Morphing技术,将植物果实模型应用于“基于虚拟器官的植物生长模拟方法”中,实现了果实生长中的形态渐变。(3)提出了基于PSO的Wang Tiles纹理合成算法。该方法通过粒子群优化算法在纹理样图中搜索边界差异最小的图像块,并用选取的图像块构建Wang Tiles,改进了Wang Tiles纹理合成算法的合成效果。论文将纹理合成算法应用于植物器官纹理的合成,解决了植物器官表面的纹理不易于获取,植物器官纹理不足的问题。通过纹理映射技术将合成的纹理应用到植物器官模型上,使得植物器官模型的真实程度得到提高,展现效果更为逼真。实验证明论文算法合成的纹理能够改善植物器官的展现效果。(4)在论文提出的“基于虚拟器官的植物生长模拟方法”的基础上,设计并实现了用于植物生长模拟的软件框架。应用该框架对辣椒花的开花过程、辣椒和茄子的生长过程以及环境影响下辣椒的生长过程进行了模拟。这些模拟证明论文的研究成果不仅能够模拟植物的生长,而且能够产生更好的展现效果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 选题背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 植物生长模拟研究现状
• 1.2.2 可视化研究现状
• 1.3 研究的意义
• 1.3.1 研究的学术意义
• 1.3.2 研究的实用意义
• 1.4 论文的研究目的和内容
• 1.5 论文的章节安排
• 2 L 系统理论
• 2.1 引言
• 2.2 L 系统的基本原理
• 2.3 DOL 系统
• 2.4 随机L 系统
• 2.5 参数化L 系统
• 2.6 上下文相关L 系统
• 2.7 L 系统的图形解释
• 2.8 本章小结
• 3 基于虚拟器官的植物生长模拟
• 3.1 引言
• 3.2 植物的生长过程分析
• 3.3 方法的整体结构
• 3.4 虚拟器官
• 3.5 虚拟环境
• 3.6 生长控制算法
• 3.7 植物生长模拟与3D 展现
• 3.8 论文方法与L 系统方法的对比
• 3.9 本章小结
• 4 基于 Bezier 曲线的植物果实建模
• 4.1 引言
• 4.2 果实形态的参数化描述
• 4.3 基于 Bezier 曲线的参数方程设置
• 4.4 建模实例
• 4.5 基于叠加扰动函数的果实形变
• 4.6 植物果实模型与虚拟器官的结合
• 4.7 本章小结
• 5 纹理合成在植物可视化中的应用
• 5.1 引言
• 5.2 纹理合成
• 5.2.1 纹理合成简介
• 5.2.2 纹理合成的作用
• 5.3 Wang Tiles 纹理合成算法
• 5.4 最优样图块选择问题
• 5.5 基于 PSO 的 Wang Tiles 纹理合成算法
• 5.6 合成效果分析
• 5.7 本章小结
• 6 植物生长模拟框架与模拟实验
• 6.1 引言
• 6.2 植物生长模拟框架
• 6.3 植物生长模拟
• 6.3.1 辣椒花的开花
• 6.3.2 辣椒的生长
• 6.3.3 茄子的生长
• 6.3.4 环境影响下的辣椒生长
• 6.4 本章小结
• 7 总结与展望
• 7.1 论文工作总结
• 7.2 未来工作的展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录