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。     

基于压力流模型的植物顶端优势模拟

当前顶端优势模拟方法大多不能与植物生理相结合,针对现有方法的不足,为了使模型体现植物顶端优势规律,提高建模真实性,提出一种基于压力流模型的植物顶端优势功能模拟方法.该方法以压力流模型思想构建生长素传输与分配模型,计算生长素在植物顶端与侧枝间的传输与分配.顶端产生生长素使其与侧枝产生压力势差,推动生长素在各器官间不断传输与分配.以虚拟器官作为描述植物的基本单位,所有的虚拟器官并行工作.各器官根据分配到的生长素量和生长素阈值决定生长速度,最终完成生长素的传输与分配.生长引擎将生理部分的变化反馈到结构部分,展示算法通过读取各个虚拟器官的属性进行3维展示.     

基于模糊神经网络的植物生长建模

提出一种基于模糊神经网络的植物建模方法,将测量的植物生理数据作为模糊神经网络的输入,自动学习拟合植物器官生长函数,提取生长规则。由同化物驱动植物生长发育,对虚拟器官的属性进行修改,将生理部分的变化反馈到结构部分。当虚拟环境变化时,模型响应环境变化,自动调整生长函数的参数和生长规则,使植物趋向于有利生长环境。实验结果表明,该方法能够准确提取植物生长函数和生长规则,对植物生长进行逼真的模拟。     

Simulation of carbon-based model for virtual plants as complex adaptive system

This research presented a teleonomic-based simulation approach to virtual plants integrating the technology of intelligent agent as well as the knowledge of plant physiology and morphology. Plant is represented as the individual metamers and root agents with both functional and geometrical structure. The development of plant is achieved by the flush growth of metamer and root agents controlled by their internal physiological status and external environment. The eggplant based simulation results show that simple rules and actions (internal carbon allocation among organs, dynamic carbon reserve/mobilization, carbon transport in parallel using a discrete pressure-flow paradigm and child agent position choosing for maximum light interception, etc.) executed by agents can cause the complex adaptive behaviors on the whole plant level: carbon partitioning among metamers and roots, carbon reserve dynamics, architecture and biomass adaptation to environmental heterogeneity and the phototropism, etc. This phenomenon manifest that the virtual plant simulated in presented approach can be viewed as a complex adaptive system.     

基于信息融合的植物生长数字化构建研究*

植物生长数字化是利用虚拟植物技术实现植物生长动态模拟的重要基础。通过实验观测提取特征信息,对植物生长信息与环境信息进行有机融合。依据植株拓扑变化规则及器官形态变化,建立植物形态发生模型。在植物生长信息重构基础上,提出植物生长数字化构建技术,即通过模型变换并基于信息融合将植物生长信息转换为直观的数字化信息。通过实例验证,表明该方法能有效地模拟植物在不同外部环境作用下的动态生长。     

素描式草绘的三维花朵建模

三维花朵建模是虚拟现实中的重要部分,花瓣作为一种自由曲面,是整个建模的重点。提出了一种由非常自然的素描式草绘方式构造三维花朵模型的方法：从草绘图形中分析和提取信息,由这些信息计算出的横截面曲线来构造花瓣的曲面形状。通过草图绘制、笔划特征分析及识别、空间位置估计及曲面构造这几大步骤完成对花朵的三维建模。     

Flower reconstruction from a single photo

We present a semi‐automatic method for reconstructing flower models from a single photograph. Such reconstruction is challenging since the 3D structure of a flower can appear ambiguous in projection. However, the flower head typically consists of petals embedded in 3D space that share similar shapes and form certain level of regular structure. Our technique employs these assumptions by first fitting a cone and subsequently a surface of revolution to the flower structure and then computing individual petal shapes from their projection in the photo. Flowers with multiple layers of petals are handled through processing different layers separately. Occlusions are dealt with both within and between petal layers. We show that our method allows users to quickly generate a variety of realistic 3D flowers from photographs and to animate an image using the underlying models reconstructed from our method.     

基于环境敏感的虚拟植物生长仿真

仿真局部环境对植物生长的影响,特别是在剪枝条件下的植物生长状况,对数字农业的发展和虚拟园艺设计具有重要意义。已有的成果运用环境敏感L系统实现了二维植物在正方形边界内的剪枝生长仿真,但未能模拟真实植物生长受环境的影响。在此基础上,运用三维植物生长模型,实现了三维植物在剪枝条件下的生长过程仿真。实验结果表明,环境敏感L系统能够很好地模拟真实植物和外部包围盒之间的交互,为下一步研究植物同其他外界环境因素的交互打下了基础。