基于生长函数的植物生长建模研究

论文摘要

虚拟植物是指在计算机上进行植物生长模拟并运用可视化技术进行展现的技术。它一般以植物个体或群体为研究对象,涉及到计算机科学、植物学、生态学及人工智能等学科并在数字影视、游戏娱乐、农业教学等多个领域有广泛应用,是目前计算机科学的研究热点之一。本文首先分析了虚拟植物的研究背景及国内外的研究现状,从高等植物的生长规律出发,为解决符合植物生长规律的生长模拟问题,提出一种基于生长函数的植物建模方法,该方法以虚拟器官描述植物器官,通过对生长数据的采集拟合生长函数,由生长函数控制节间的生长和三维Morphing过程,并在三维Morphing中引入相似度参数来表现器官形态的多样性,3D引擎读取虚拟器官属性渲染得到植物三维可视化图形。主要工作如下:①对虚拟植物的理论研究成果及可视化平台进行了总结。重点对L系统和虚拟器官两种虚拟植物建模技术进行了分析,简单介绍了计算机图形学中两种主要的三维物体变形技术:自由变形FFD和三维Morphing,重点讨论了三维Morphing技术和图形学中常用的插值算法。②对高等植物生长发育的生理学机制进行了分析,重点研究了高等植物的生长规律,并针对植物生长建模可视化的需要采用生长函数来控制植物各器官的生长。③针对传统方法在模拟植物规律性生长方面存在的不足,提出了一种以生长函数控制的生长模拟方法,并与将该方法与虚拟器官相结合,实现了符合植物生长规律的生长建模。④分析了L系统在表现植物生长多样性方面的不足,针对传统三维Morphing技术不能模拟器官生长过程中多样性的缺点,引入了相似度参数,并将该方法与虚拟植物相结合,通过提供植物在不同生长条件下的多个器官模型,并根据当前环境参数对每个器官赋予一定的相似度参数,使得器官的最终形态和生长过程具有多样性。⑤以辣椒为仿真对象,在PlantLab平台上进行了仿真实验,实现了植物生长过程模拟。结果表明本文提出的方法能够较为真实、有效地模拟植物的生长及形态变化。⑥最后,给出了本文创新方法的意义并针对本文工作的不足之处对下一步的工作进行了展望。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.1.1 研究背景
• 1.1.2 研究的学术意义
• 1.1.3 研究的实用意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 理论与方法研究现状
• 1.2.2 作物与平台研究现状
• 1.3 论文研究内容
• 1.4 论文章节安排
• 2 植物生长建模理论
• 2.1 L 系统的介绍
• 2.1.1 L 系统的基本原理
• 2.1.2 字符串并行重写
• 2.1.3 L 系统的几何解释
• 2.1.4 随机L 系统
• 2.1.5 上下文相关L 系统
• 2.1.6 参数L 系统
• 2.2 基于虚拟器官的植物生长模拟
• 2.2.1 虚拟器官
• 2.3 本章小结
• 3 等植物生长规律
• 3.1 植物生长规律
• 3.2 植物生长函数
• 3.3 本章小结
• 4 三维变形技术
• 4.1 自由变形
• 4.1.1 自由变形基本原理
• 4.1.2 FFD 特点和适用范围
• 4.2 三维Morphing
• 4.3 常用插值方法
• 4.4 本章小结
• 5 基于生长函数的植物生长建模
• 5.1 三维Morphing 与器官生长变形
• 5.2 生长控制算法
• 5.3 多样性生长模拟
• 5.4 本章小结
• 6 实验及结果
• 6.1 实验平台及参数配置
• 6.2 相关实验及结果
• 7 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A 作者在攻读学位期间发表的论文目录
• B 作者在攻读学位期间取得的科研成果目录