基于人工生命约束条件的玉米虚拟生长模型的构建与可视化

论文摘要

计算机图形技术和仿真技术的飞速发展,推动了对自然界中植物仿真的研究。虚拟植物涉及到植物学、数学、图形学、教育学等多种学科,是一个跨学科的交叉性研究领域。准确的说虚拟植物是指,在三维空间中,利用计算机来模拟植物的生长发育过程,以反应植物的形态结构和生理结构的规律。在计算机辅助设计、教育和培训、休闲和娱乐、电子商务和虚拟实验室等各个领域中占有重要地位,应用广泛。目前,针对虚拟植物,已经建立多种模拟模型和建模方法。但各种建模方法都不是普适的,而且很难平衡建模效率和建模结果的真实感,因此单一的建模方法不能满足高效的建模需要。总得来说虚拟植物的研究分为:形态外观的模拟,关注于视觉上的真实感;植物生理生长过程的模拟,注重符合植物学理论。但是将形态结构模型和生理约束模型相结合的研究较少。玉米在国民经济中占有重要的地位,因此,以玉米为例进行研究意义重大。本文基于虚拟植物的研究现状,针对单一建模方法的不足,做了以下一些研究:首先总结现存的问题以及本文的研究意义与价值。其次介绍计算机图形学、人工生命原理、植物学原理、Bézier曲线和曲面知识。再次分析玉米形态结构和生长特征,选取合适的生长函数。论文主体部分详细比较研究各种建模方法,提出一种改进的随机参数L系统方法,模拟了虚拟玉米拓扑结构,利用Bézier曲线、曲面结合合适的生长函数来实现虚拟玉米茎、叶、雄穗等各个器官几何生长模型的构建,接着然后研究气温、日长等环境因子对玉米生长过程的影响,建立虚拟玉米约束模型,再将玉米生长模型和约束模型相结合。最后在VC++开发平台下,利用OpenGL图形库技术实现了虚拟玉米动态连续生长过程的模拟。充分验证了本文阐述的建模方案的有效性,并具有一定的实际应用价值。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的背景
• 1.2 课题研究的意义
• 1.2.1 课题研究的理论价值
• 1.2.2 课题研究的现实意义
• 1.3 国内外研究现状及不足
• 1.3.1 国外研究现状
• 1.3.2 国内研究现状
• 1.3.3 目前研究的不足
• 1.4 本文的研究内容
• 1.5 研究的技术路线
• 第二章 相关理论基础
• 2.1 计算机图形学原理
• 2.2 人工生命原理
• 2.3 植物学原理
• 2.4 几何建模的工具
• 2.4.1 Bézier 曲线
• 2.4.2 Bézier 曲面
• 2.5 分形建模理论
• 第三章 玉米生长模型的构建
• 3.1 玉米的生物学特征分析
• 3.1.1 形态特征
• 3.1.2 生长特征
• 3.2 玉米的生长函数确定
• 3.2.1 玉米生长周期及器官生长参数
• 3.2.2 生长函数的选取
• 3.3 改进的随机参数L 系统构建玉米拓扑结构
• 3.3.1 随机L系统的改进
• 3.3.2 参数L系统的改进
• 3.3.3 子结构算法
• 3.3.4 改进的随机参数L系统的玉米建模
• 3.3.5 引进子结构算法的效率分析验证
• 3.4 玉米器官生长模型构建
• 3.4.1 玉米茎的生长模型构建
• 3.4.2 玉米叶的生长模型构建
• 3.4.3 玉米雄穗的生长模型构建
• 第四章 人工生命约束条件的玉米生态模型的构建
• 4.1 影响玉米生长的环境因素
• 4.2 玉米生长的约束模型的研究
• 4.3 约束条件下玉米生长模型的构建
• 第五章 玉米虚拟生长模型的编码与实现
• 5.1 系统总体设计
• 5.2 相关技术及开发工具
• 5.3 编码实现
• 5.4 系统功能模块
• 5.5 实验效果
• 第六章 成果对比分析及应用
• 6.1 对比与优势
• 6.2 实验结果应用
• 第七章 总结与展望
• 7.1 论文的主要研究工作总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 公开发表论文情况