植物行為特性建模及可視化仿真技術研究.pdf

1、植物形態(tài)是植物的外在表現(xiàn)形式，是植物在生長過程中自身生理規(guī)律和環(huán)境因素相互作用的結(jié)果。因此，要在計算機上逼真地模擬植物，不僅需要對植物的外部形態(tài)進行精確建模和繪制，同時也需要對植物的行為特性進行研究，并建立符合植物自身生理規(guī)律的行為模型，才能更真實地在虛擬空間中對植物的形態(tài)和運動進行仿真。另一方面，植物所表現(xiàn)出的行為特性是人類認識、分析和評價植物的最基本的方式和最直接的渠道。因此，運用計算機圖形學和虛擬現(xiàn)實的技術與方法來定量化、可視化地

2、描述植物的行為特性，并開發(fā)相應的軟件工具和交互平臺，通過視覺體驗和三維互動的人機交互方式來揭示植物內(nèi)在的遺傳特性與環(huán)境的相互作用關系，具有重要的現(xiàn)實意義和廣闊的應用前景。 圍繞植物的三維建模和運動模擬的研究已經(jīng)有了幾十年的歷史，經(jīng)過幾代研究者的努力，目前已經(jīng)取得了顯著的成果。但由于植物形態(tài)的復雜性和多樣性，而且植物的生長過程受環(huán)境的影響，這使得逼真重構(gòu)植物的形態(tài)和模擬其在各種環(huán)境條件下的行為特性是一個巨大的挑戰(zhàn)。特別是對農(nóng)學研究

3、中以植株個體為主要研究單位的園藝植物，其形態(tài)和行為特性的真實感模擬更有待加強。一方面，相對于其他植物，園藝植物尤其是瓜果類作物的相關研究還處于起步階段。傳統(tǒng)以樹木為對象的植物形態(tài)建模方法重點在于樹木的整體結(jié)構(gòu)，而忽略器官上的細節(jié)，因此難以適用于以器官和個體為基本單位的園藝植物形態(tài)的建模。其次，雖然研究者提出了各種針對農(nóng)作物器官的形態(tài)建模方法，但這些方法缺乏普適性，真實感效果有待加強。在植物模型的變形和運動方面，部分研究者已提出了各種模擬

4、方法，但在這些研究中，往往以植株個體為對象，缺乏器官尺度上的變形模擬，而且只是考慮了植物在外力作用下的變形，很少考慮植物自主的變形和運動，如植物葉片在高溫下的卷曲、失水條件下的萎蔫等現(xiàn)象。而對于園藝植物中常見的攀援行為，尚未有研究者從可視化模擬的角度進行研究。針對以上問題，本文擬運用計算機圖形學和物理模型的理論和方法，研究園藝植物的三維形態(tài)建模及其典型行為特性可視化模擬的關鍵技術。 本文以我國主要園藝植物黃瓜、西瓜和番茄為研究對

5、象，重點是通過對品種特征的觀測研究，借助計算機輔助設計思想，運用幾何造型和三維可視化技術，構(gòu)建主要園藝植物三維形態(tài)數(shù)字化設計工具；基于已有的農(nóng)業(yè)模型和知識規(guī)則，構(gòu)建參數(shù)化的植物器官精確幾何模型；研究基于物理模型的植物變形和運動模擬技術；最終將上述各項技術有機集成，構(gòu)建一個植物行為特性可視化仿真框架，逼真地虛擬顯示主要園藝植物在器官、個體和群體水平上的自然行為特性。 具體地，本文主要開展了以下幾個方面的創(chuàng)新研究： 1、園藝

6、植物器官精確幾何建模和植株結(jié)構(gòu)交互式生成 針對園藝植物器官形態(tài)復雜和多變的特點，提出了基于B樣條曲線的植物器官骨架表示和網(wǎng)格生成方法，以B樣條曲線的靈活性為形態(tài)多變的植物器官幾何描述提供一種統(tǒng)一的表示方法；首次將Delaunay三角化方法和自適應細分方法應用于植物葉片幾何曲面造型中，為植物葉片的精確幾何建模提供了一種普適的方法。同時，結(jié)合已有的農(nóng)業(yè)模型和知識規(guī)則提取了植物器官幾何模型的主控參數(shù)。基于植物的器官模型開發(fā)了交互式的園

7、藝植物形態(tài)結(jié)構(gòu)輔助設計工具，采用器官模板和漸變技術生成植物器官不同生長階段間的過渡效果。 2、三維植物模型真實感繪制 為增強三維植物模型的真實感效果，采用了多種細節(jié)描述技術。針對葉片和果實，采用紋理映射技術；針對莖、葉柄等圓柱型器官，使用過程紋理技術生成適用的紋理效果。開發(fā)了植物造型表面絨毛生成技術，采用Poisson-disk分布模式確定器官曲面上絨毛的分布，并根據(jù)網(wǎng)格曲面的面積確定絨毛的密度；絨毛的實體用樣條曲線或圓

8、柱體表示，絨毛的長度、半徑、卷曲度、方向和密度等參數(shù)都考慮了植物器官的位置信息。該方法對植株個體模型達到了實時的處理要求，能夠有效地生成各種具有真實感的植物表面絨毛效果。 3、植物器官變形實時模擬 提出了一種基于質(zhì)點-彈簧系統(tǒng)的植物器官變形模擬方法，并根據(jù)交互式設計的要求開發(fā)了參數(shù)化的植物器官幾何造型和彈簧模型生成方法，簡化了質(zhì)點-彈簧模型的構(gòu)造。實驗結(jié)果表明，該方法能夠獲得具有較高真實感的變形效果，適用于多種植物器官一

9、般情況下的變形模擬；同時，參數(shù)化的幾何曲面和物理模型生成能夠滿足于交互式實時模擬的需要。 4、植物葉片卷曲和萎蔫過程的模擬 首次為模擬植物葉片的卷曲和萎蔫運動建立了似然的物理模型。構(gòu)建了一個由層次化彈簧構(gòu)成的雙層質(zhì)點-彈簧系統(tǒng)，該彈簧系統(tǒng)被用來控制葉片的運動，葉片的卷曲通過收縮上層彈簧來實現(xiàn)，而葉片的萎蔫或展開則通過釋放彈簧來驅(qū)動，同時提供了交互式的模擬界面，用戶能夠交互地控制該彈簧系統(tǒng)的運動，從而生成葉片卷曲或萎蔫的運

10、動動畫。針對雙層質(zhì)點-彈簧葉片模型難以構(gòu)建的問題，提出了一個葉脈骨架驅(qū)動的植物葉片變形和運動控制模型，首先從葉片骨架中生成葉脈骨架，葉脈骨架由一條主脈和若干條側(cè)脈構(gòu)成，每條葉脈被分割為若干線段，構(gòu)成一個骨架鏈；在此基礎上，將葉片曲面上的點綁定到葉脈骨架中，并通過指定骨架鏈上每個頂點繞某個指定的矢量旋轉(zhuǎn)來控制骨架鏈的變形和運動；最后將葉片網(wǎng)格曲面上的點根據(jù)變形后的葉脈骨架進行變形，從而實現(xiàn)葉脈骨架驅(qū)動的葉片曲面變形。該方法已被用來模擬植物

11、葉片的卷曲和萎蔫過程，獲得了較好的真實感效果。 5、植物攀援特性建模和攀援行為模擬 首次可視化地模擬了卷須類園藝植物藤蔓的形態(tài)發(fā)展過程。建立了卷須生長和尋找支持物的模擬模型；基于卷須的攀援能力，建立了園藝植物藤蔓的動態(tài)生長模擬模型，根據(jù)藤蔓在三維空間中的位置以及卷須的攀附情況確定藤蔓的空間形態(tài)，從而模擬了藤蔓在重力作用下的自然生長形態(tài)；開發(fā)了直線與圓柱體、直線與包圍盒、圓柱體與包圍盒間的碰撞檢測技術，用來檢測植物生長和下