植物行为特性建模及可视化仿真技术研究

论文摘要

植物形态是植物的外在表现形式,是植物在生长过程中自身生理规律和环境因素相互作用的结果。因此,要在计算机上逼真地模拟植物,不仅需要对植物的外部形态进行精确建模和绘制,同时也需要对植物的行为特性进行研究,并建立符合植物自身生理规律的行为模型,才能更真实地在虚拟空间中对植物的形态和运动进行仿真。另一方面,植物所表现出的行为特性是人类认识、分析和评价植物的最基本的方式和最直接的渠道。因此,运用计算机图形学和虚拟现实的技术与方法来定量化、可视化地描述植物的行为特性,并开发相应的软件工具和交互平台,通过视觉体验和三维互动的人机交互方式来揭示植物内在的遗传特性与环境的相互作用关系,具有重要的现实意义和广阔的应用前景。围绕植物的三维建模和运动模拟的研究已经有了几十年的历史,经过几代研究者的努力,目前已经取得了显著的成果。但由于植物形态的复杂性和多样性,而且植物的生长过程受环境的影响,这使得逼真重构植物的形态和模拟其在各种环境条件下的行为特性是一个巨大的挑战。特别是对农学研究中以植株个体为主要研究单位的园艺植物,其形态和行为特性的真实感模拟更有待加强。一方面,相对于其他植物,园艺植物尤其是瓜果类作物的相关研究还处于起步阶段。传统以树木为对象的植物形态建模方法重点在于树木的整体结构,而忽略器官上的细节,因此难以适用于以器官和个体为基本单位的园艺植物形态的建模。其次,虽然研究者提出了各种针对农作物器官的形态建模方法,但这些方法缺乏普适性,真实感效果有待加强。在植物模型的变形和运动方面,部分研究者已提出了各种模拟方法,但在这些研究中,往往以植株个体为对象,缺乏器官尺度上的变形模拟,而且只是考虑了植物在外力作用下的变形,很少考虑植物自主的变形和运动,如植物叶片在高温下的卷曲、失水条件下的萎蔫等现象。而对于园艺植物中常见的攀援行为,尚未有研究者从可视化模拟的角度进行研究。针对以上问题,本文拟运用计算机图形学和物理模型的理论和方法,研究园艺植物的三维形态建模及其典型行为特性可视化模拟的关键技术。本文以我国主要园艺植物黄瓜、西瓜和番茄为研究对象,重点是通过对品种特征的观测研究,借助计算机辅助设计思想,运用几何造型和三维可视化技术,构建主要园艺植物三维形态数字化设计工具;基于已有的农业模型和知识规则,构建参数化的植物器官精确几何模型;研究基于物理模型的植物变形和运动模拟技术;最终将上述各项技术有机集成,构建一个植物行为特性可视化仿真框架,逼真地虚拟显示主要园艺植物在器官、个体和群体水平上的自然行为特性。具体地,本文主要开展了以下几个方面的创新研究:1、园艺植物器官精确几何建模和植株结构交互式生成针对园艺植物器官形态复杂和多变的特点,提出了基于B样条曲线的植物器官骨架表示和网格生成方法,以B样条曲线的灵活性为形态多变的植物器官几何描述提供一种统一的表示方法;首次将Delaunay三角化方法和自适应细分方法应用于植物叶片几何曲面造型中,为植物叶片的精确几何建模提供了一种普适的方法。同时,结合已有的农业模型和知识规则提取了植物器官几何模型的主控参数。基于植物的器官模型开发了交互式的园艺植物形态结构辅助设计工具,采用器官模板和渐变技术生成植物器官不同生长阶段间的过渡效果。2、三维植物模型真实感绘制为增强三维植物模型的真实感效果,采用了多种细节描述技术。针对叶片和果实,采用纹理映射技术;针对茎、叶柄等圆柱型器官,使用过程纹理技术生成适用的纹理效果。开发了植物造型表面绒毛生成技术,采用Poisson-disk分布模式确定器官曲面上绒毛的分布,并根据网格曲面的面积确定绒毛的密度;绒毛的实体用样条曲线或圆柱体表示,绒毛的长度、半径、卷曲度、方向和密度等参数都考虑了植物器官的位置信息。该方法对植株个体模型达到了实时的处理要求,能够有效地生成各种具有真实感的植物表面绒毛效果。3、植物器官变形实时模拟提出了一种基于质点-弹簧系统的植物器官变形模拟方法,并根据交互式设计的要求开发了参数化的植物器官几何造型和弹簧模型生成方法,简化了质点-弹簧模型的构造。实验结果表明,该方法能够获得具有较高真实感的变形效果,适用于多种植物器官一般情况下的变形模拟;同时,参数化的几何曲面和物理模型生成能够满足于交互式实时模拟的需要。4、植物叶片卷曲和萎蔫过程的模拟首次为模拟植物叶片的卷曲和萎蔫运动建立了似然的物理模型。构建了一个由层次化弹簧构成的双层质点-弹簧系统,该弹簧系统被用来控制叶片的运动,叶片的卷曲通过收缩上层弹簧来实现,而叶片的萎蔫或展开则通过释放弹簧来驱动,同时提供了交互式的模拟界面,用户能够交互地控制该弹簧系统的运动,从而生成叶片卷曲或萎蔫的运动动画。针对双层质点-弹簧叶片模型难以构建的问题,提出了一个叶脉骨架驱动的植物叶片变形和运动控制模型,首先从叶片骨架中生成叶脉骨架,叶脉骨架由一条主脉和若干条侧脉构成,每条叶脉被分割为若干线段,构成一个骨架链;在此基础上,将叶片曲面上的点绑定到叶脉骨架中,并通过指定骨架链上每个顶点绕某个指定的矢量旋转来控制骨架链的变形和运动;最后将叶片网格曲面上的点根据变形后的叶脉骨架进行变形,从而实现叶脉骨架驱动的叶片曲面变形。该方法已被用来模拟植物叶片的卷曲和萎蔫过程,获得了较好的真实感效果。5、植物攀援特性建模和攀援行为模拟首次可视化地模拟了卷须类园艺植物藤蔓的形态发展过程。建立了卷须生长和寻找支持物的模拟模型;基于卷须的攀援能力,建立了园艺植物藤蔓的动态生长模拟模型,根据藤蔓在三维空间中的位置以及卷须的攀附情况确定藤蔓的空间形态,从而模拟了藤蔓在重力作用下的自然生长形态;开发了直线与圆柱体、直线与包围盒、圆柱体与包围盒间的碰撞检测技术,用来检测植物生长和下垂过程中器官与障碍物、以及器官之间的碰撞,并提供实时的碰撞避免处理机制。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 植物形态建模和真实感绘制研究进展
• 1.2.2 三维植物模型的变形和运动模拟研究进展
• 1.2.3 作物形态建模和生长可视化模拟研究进展
• 1.3 存在的问题和本文的切入点
• 1.4 本研究的目的和意义
• 参考文献
• 第二章 论文的总体框架
• 2.1 研究内容及难点
• 2.1.1 主要研究内容
• 2.1.2 关键问题及解决思路
• 2.2 研究思路和技术路线
• 第三章 园艺植物器官精确几何建模和植株结构生成
• 3.1 概述
• 3.2 植物器官几何造型建模
• 3.2.1 骨架表示和生成
• 3.2.2 曲面生成
• 3.2.3 参数化表示
• 3.2.4 细节描述
• 3.2.5 复合器官建模
• 3.2.6 器官造型示例
• 3.3 植株形态交互式设计
• 3.3.1 器官模板和渐变
• 3.3.2 植株结构交互式生成
• 3.3.3 基于植物生长过程的植株结构生成
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 第四章 真实感三维植物模型绘制技术
• 4.1 纹理映射
• 4.2 植物造型表面绒毛生成
• 4.2.1 概述
• 4.2.2 绒毛分布的生成
• 4.2.3 绒毛的几何表示和放置
• 4.2.4 参数控制
• 4.2.5 结果示例和讨论
• 4.3 本章小结
• 参考文献
• 第五章 基于物理的植物器官变形实时模拟
• 5.1 概述
• 5.2 质点-弹簧模型及其解法
• 5.2.1 外力
• 5.2.2 方程求解
• 5.3 植物器官变形模型
• 5.3.1 几何造型表示和曲面生成
• 5.3.2 叶片变形模拟
• 5.3.3 枝条类器官的变形模型
• 5.3.4 果实的变形模型
• 5.4 算法实现和模拟结果
• 5.5 本章小结
• 参考文献
• 第六章 植物叶片卷曲和萎蔫模拟
• 6.1 引言
• 6.2 相关工作
• 6.3 双层质点－弹簧系统驱动的叶片运动模型
• 6.3.1 弹簧系统构建
• 6.3.2 弹簧系统的运动控制
• 6.3.3 更细致的叶片弹簧模型
• 6.3.4 基于双层质点－弹簧系统的叶片模型
• 6.3.5 双层弹簧系统的动态控制
• 6.3.6 实验设计和结果
• 6.4 叶脉骨架驱动的叶片变形模拟
• 6.4.1 基本思想
• 6.4.2 叶脉骨架生成
• 6.4.3 叶脉骨架的运动控制
• 6.4.4 叶脉骨架驱动叶片曲面变形
• 6.4.5 碰撞检测和处理
• 6.4.6 实验结果和讨论
• 6.5 本章小结
• 参考文献
• 第七章 园艺植物藤蔓攀援特性建模和攀援行为模拟
• 7.1 相关工作
• 7.2 植物攀援行为的基本知识
• 7.3 藤蔓植物攀援行为模拟
• 7.3.1 卷须的攀援行为建模
• 7.3.2 卷须的攀援能力
• 7.3.3 藤蔓顶部的生长速度和方向
• 7.3.4 重力对藤蔓形态的影响
• 7.3.5 碰撞检测和处理
• 7.3.6 器官的几何表示和绘制
• 7.4 模拟结果和讨论
• 7.5 本章小结
• 参考文献
• 第八章 结论和展望
• 8.1 本文工作总结
• 8.2 进一步的研究展望
• 攻读博士学位期间发表和完成的论文
• 攻读博士学位期间参与的科研项目
• 参加国际、国内学术会议
• 致谢