基于多模块方法的拟南芥功能结构模拟研究

花卉植物生长模拟中,构建反映植物形态和生理特征的功能结构模型是目前虚拟植物的研究热点。对植物形态结构的表达方法和碳汇生物量在植物组织器官间的分配方法进行了研究,基于多模块方法实现了功能结构相统一的虚拟花卉植物生长模拟。利用自定义的光反应曲线模拟碳汇生物量,基于源汇理论实现了碳生物量在器官间分配,利用L+C 多模块方法实现了植物叶片和节间的动态生长。通过对拟南芥植物的生长模拟,证明了方法的实用性和有效性。     

基于碳动力学模型的虚拟拟南芥植物生长模拟

具有植物生理特征的花卉植物功能结构模拟是目前虚拟植物的研究热点。基于反映植物生长机理的碳动力学模型和L-systems的形态结构表达,提出了一种功能结构相统一的高度真实的虚拟植物生长模拟算法。利用L-systems的形态构造方法对拟南芥植物组织器官的动态生长规则进行了表达;植物生长基元（茎节间、叶、花）的分枝生长考虑了碳汇生物量在基元的传输和分配,并定义生长曲线函数描述叶片和节间在不同生长发育阶段的动态生长演替过程。实例证明该算法能较准确地模拟拟南芥的动态生长过程,模拟生长曲线跟实际生长曲线相吻合,验证了算法有效性。     

虚拟植物叶片的可视化建模技术研究

植物叶片的真实感建模技术一直是虚拟植物仿真技术的研究热点和难点。从植物叶片的形态结构和纹理特征出发,提出一种基于图像的树叶仿真方法。通过对一幅树叶图像进行边缘检测并配合Marching Square算法,实现对树叶复杂轮廓信息的准确提取;利用Delaunay三角剖分的优化算法对叶片进行三角形网格化处理,得到具有均匀三角形网格的叶片模型;最后以叶脉作为变形控制骨架,采用基于Laplace方程的迭代变形算法完成二维叶片向三维变形叶片的重建,以模拟叶片表面的自然弯曲变形效果,增强叶片模型的真实感。相比于以往的树叶建模仿真方法,突出了叶脉在网格划分及树叶形变中所起的作用,所建模型能更逼真地反映真实植物叶片的形态特征,提高了叶片的真实感仿真程度。     

基于L系统和三维Morphing的器官生长建模

为解决植物器官生长过程中的变形问题,提出一种基于L系统和三维Morphing的器官生长建模方法。该方法以L系统描述植物的拓扑结构,以三维Morphing模拟植物叶片和果实的变形过程,并根据花的特殊结构引入一种模块化建模方法以实现花的开放过程。以辣椒为例展示建模过程,实验结果表明,该算法能解决植物器官变形问题,提高建模效率。     

黄瓜生长可视化系统的设计与实现

利用计算机更好地模拟植物的生理过程、形态结构及生态变化的关键是确定虚拟植物模型。文中采用双尺度自动机模型模拟植物生长,对作物器官进行三维几何建模,以黄瓜为例设计并实现了作物生长可视化系统。该系统易于交互、真实感强、计算速度快并具有可扩展性,可以较好地模拟显示黄瓜整体植株与群体植株、群体漫游及黄瓜植株和黄瓜器官三维动态生长过程等。     

黄瓜生长可视化系统的设计与实现

利用计算机更好地模拟植物的生理过程、形态结构及生态变化的关键是确定虚拟植物模型。文中采用双尺度自动机模型模拟植物生长，对作物器官进行三维几何建模，以黄瓜为例设计并实现了作物生长可视化系统。该系统易于交互、真实感强、计算速度快并具有可扩展性，可以较好地模拟显示黄瓜整体植株与群体植株、群体漫游及黄瓜植株和黄瓜器官三维动态生长过程等。     

移动平台三维花卉植物触摸反馈可视化模拟

移动平台上高交互感的三维花卉植物可视化已成为植物研究、园艺设计等领域的重要需求,但现有植物运动形变方法还不能根据触摸力度对整株花卉植物或单一叶片的受力进行不同的形变过程模拟。为此,提出一种改进的三维花卉植物触摸反馈可视化模拟方法。根据植物整株交互需求或单一叶片受力情况,研究不同方式的触摸反馈模拟方法。在模拟触摸反馈时,整株受力应用动力学原理,抽象为杆件模型并计算形变结果。单一叶片受力时,根据触摸屏获取数据,并结合叶脉骨架旋转模型算法,模拟不同力度触摸造成的叶片形变,过程中无需手动输入参数。仿真结果表明,该方法应用于移动平台后,帧速率稳定,具有较高的真实感。     

基于L系统改进的虚拟植物原型系统设计

设计实现了基于L系统改进的虚拟植物可视化原型系统。该原型系统实现了微机平台上可视模拟植物生长,并取得了较好的试验效果。系统设计思想以植物可视外观展现为主要目的,结合了L系统和基于图像建模的优点,对植物器官的建模方法是基于能够反映植物器官主要特征的表面建模。其实现思路是在L系统所描述的植物拓扑结构的基础上,对预先定义好的植物器官网格面进行装配。与L系统相比较,有更好的外观效果和较低的时间复杂度。     

基于三维模型转换器的虚拟植物可视化

提出了一个基于三维器官模型转换器来实现虚拟植物生长可视化的方法。该转换器的主要功能是在虚拟植物生长可视化系统内导入由三维建模软件所构造的具有表面细节的植物器官模型,之后结合L系统,实现由植物生长规律指导下的虚拟植物生长过程的实时模拟。实验结果表明,该方法改善了原有的一些虚拟植物生长可视化系统只考虑对器官进行几何建模,而忽略器官表面细节导致的展现效果真实感显著差异的缺陷。     

一种新的植物形态结构表达模型

为模拟真实植物的具体外观形态,提出了一种植物形态结构表达模型。该模型从拓扑结构和几何结构两个角度对植物形态进行描述,将拓扑结构与归一化植物器官相结合构造形态结构。模型以叶元为描述植物形态结构的单位,保留了形态结构的细节信息,并用生长特征对形态结构进行归类,大大节省了植物模拟时所需数据量。选取松树的形态结构,使用模型对其进行模拟实验。结果验证了模型的可行性和有效性。模型能够用于自然景观模拟、植物可视化、计算机辅助设计等领域。     

基于Open-L系统的植物结构功能模型研究

为了真实地模拟植物生长发育过程,引入了Open-L系统建模理论.在植物形态发生模型的基础上,根据植物生长时其形态与生理特性及环境之间的相互作用,构建了综合考虑植物结构与功能的虚拟植物模型,再根据该模型有效组织了植物生长过程中的数据信息,并建立植物生长的可视化流程.最后,开发一个原型系统验证了该模型的可行性和有效性.     

基于生长机的芦苇形态模型可视化研究

兼顾植物生理功能的形态发生模型,是在计算机上实现模拟植物生长发育的理论依据。通过观察芦苇生长过程中发生的形态及生理变化,分析了形态结构与生理因子之间的内在关系,并提出一种基于生长机的芦苇形态建模方法。根据生成的形态模型有效组织芦苇生长时产生的大量数据,并建立其可视化流程。通过模拟实验,结果表明该模型能有效地模拟芦苇的生长发育过程。     

图像处理技术在植物器官模型重建中的应用

由于传统植物建模方法不能有效地提高模型重建的可视化效果,为此,图像处理技术被逐渐引入到植物模型重建中。本文以水稻叶片器官模型重建为对象,通过图像处理技术对叶片图像进行处理,深入地研究图像处理技术在器官模型重建中的应用,并结合数学模型重建实现水稻叶片模型重建。实验仿真表明,该方法能较为逼真地实现模型的重建,对相关领域研究具有一定参考价值。     

基于Open L系统的植物结构功能模型研究*

为了真实地模拟植物生长发育过程,引入了OpenL系统建模理论。在植物形态发生模型的基础上,根据植物生长时其形态与生理特性及环境之间的相互作用,构建了综合考虑植物结构与功能的虚拟植物模型,再根据该模型有效组织了植物生长过程中的数据信息,并建立植物生长的可视化流程。最后,开发一个原型系统验证了该模型的可行性和有效性。     

扦插植物地下组织构型建模与形态仿真

很多植物都采用扦插育苗,为实现扦插植物的工厂化繁殖,研究其地下组织的生长规律及可视化模拟模型是研发扦插育苗机械化装备的基础之一。为此,基于几何建模的方法,结合扦插植物的繁殖特点,对扦插植物地下组织的构型进行建模;采用VC++及Direct3D图形接口,开发扦插植物地下组织的三维可视化动态仿真程序,并以扦插蔷薇的地下组织为样本进行模拟。结果表明：模拟仿真图形与实际扦插蔷薇的地下组织形态特征相似度较高,模拟数值与实测结果的相对误差小于10%。该研究为植物构型建模仿真提供了一个新的方向。     

一种基于图像的植物器官重建

该文提出了一种基于植物器官图像的器官重建方法,系统实现步骤包括:图像预处理、轮廓的提取、二值化、细线化、矢量化、三角剖分,从而实现器官的重建。文章以叶为例,实现了叶可视化重建。系统考虑叶图像的特点,设计了优化的轮廓提取算法;并对Hilditch细线算法进行改进,提出了一种快速细线化算法。文章提出的器官重建方法可用于多种植物模型(如L系统)的器官外观建模;由于采用基于图像的技术,系统具有逼真的外观效果,实现了植物器官快速可视化重建。     

基于3DMax技术的胡杨茎生长模拟

植物生长模拟研究,是利用计算机技术以可视化的形式描述植物的生长状态。本研究在综合国内外相关研究成果的基础上,以南疆胡杨茎为研究对象,通过对胡杨茎的生长因子及结构形态的研究,提出一种基于三维结构的胡杨茎生长模型,并运用3DMax技术建模,实现胡杨茎的生长形态的可视化。本研究能促进人们对胡杨生长过程的理解和感知,为分析胡杨结构功能关系、调控生长模式等提供重要参考。     

基于视频特征提取的虚拟植物动态仿真研究*

植物生长信息的提取与重构是在计算机上实现植物生长动态仿真的基础和关键。以树的生长为对象,将包含植物生长信息的视频图像转换为若干关键帧数据,提取反映植株拓扑结构与器官形态变化的特征信息,采用枝条拼接算法对植株拓扑变化过程进行重构。通过3DMAX开发平台对植株生长过程进行重建,结果表明该方法既能有效构建植株生长的数字化模型,又能较好地虚拟植物生长和形态演变过程。     

基于构筑模型的植物动态生长研究

植物学家提出的23种结构定义了植物形态发生的方式和最终生长的形态,能够形象而准确地对植物形态发生进行归纳和分类,但缺乏对植物形态可视化表达的有效手段和方法。因此,本文为再现植物的动态生长过程,基于构筑模型,遵循双尺度自动机的基本原理,应用微分L-系统构建植物连续生长过程的动态模型,并在计算机进行了三维可视化实现。提出的方法拓展了构筑模型的应用,仿真结果表明该方法在植物形态的建模上确实行之有效。     

森林场景可视化和林火模拟仿真技术研究综述

森林是生态环境系统的重要组成部分。随着气候变暖,恶劣气候气象条件造成全球森林火灾频繁发生,给国民经济和消防救援带来巨大挑战,森林火灾已成为全球主要的自然灾害。因此,森林场景可视化建模、3维场景仿真、林火模拟仿真、火场复现、预测和灾害评估成为林业虚拟仿真研究热点。本文对树木形态结构建模技术、森林场景大规模重建和实时渲染、森林场景可视化、林火模型和林火模拟仿真等前沿技术和算法进行综述。对相关的林木、植被的形态结构表达和真实感可视化建模方法进行归纳分类,并对不同可视化方法的算法优劣、复杂度、实时渲染效率和适用场景进行讨论。基于规则的林木建模方法和基于林分特征的真实场景重建方法对大规模森林场景重建技术进行分类,基于物理模型、经验模型和半经验模型对森林火灾的林火模型、单木林火、多木林火模拟和蔓延进行总结,对影响林火蔓延的不同环境气象因子（如地形地貌、湿度、可燃物等）和森林分布对林火发生、扩散和蔓延的影响进行分析,对不同算法的优劣进行对比、分析和讨论,对森林场景可视化和林火模拟仿真技术未来的发展方向、存在问题和挑战进行展望。本文为基于森林真实场景的森林火灾模拟仿真和数字孪生沉浸式互动模拟系统的构建提供了理论方法基础,该平台可以实现森林场景快速构建、不同火源林火模拟、火场蔓延模拟仿真以及不同气象影响条件的火场预测,可对森林火场救援指挥、火场灾害评估和火场复原提供可视化决策支持。