基于器官变形的植物生长建模研究

论文摘要

虚拟植物（Virtual Plant）是指利用虚拟现实技术在计算机上模拟植物在三维空间中的生长发育过程,它是以植物个体或群体为对象,生成具有三维效果和可视化功能的计算机模型。它可分为两个方面的建模:生长（形态）建模和生理（生态）建模。其中生长建模主要模拟植物的形态结构即植物各个部分在三维空间的占据方式,一般将其为分为地上和地下两个部分分别进行建模;生理建模则主要模拟环境（如光照、水分等）对植物生长的影响,由于环境对植物的影响相对较复杂,因此生理建模的研究一般都是从单一环境因素开始。本文主要研究的是植物地上部分的生长建模,以植物器官果实和叶片的生长变形为主线,基于L系统模型,实现了一种开放式L系统的虚拟植物建模平台,并提出一种基于L系统和三维Morphing的虚拟植物生长建模方法,在此基础上,研究了L系统在植物生长建模中存在的问题,讨论了面向对象的基于“虚拟器官”的植物生长建模模型。主要工作如下:①分析了虚拟植物的研究背景及国内外研究现状。讨论了当前流行的各种植物生长建模方法,并对它们的优缺点进行了阐述。重点讨论了L系统及其在虚拟植物生长建模中的重要地位。②针对L系统在植物器官生长变形上的不足,提出了一种基于L系统和三维Morphing的植物生长建模方法:以L系统描述植物的拓扑结构,以三维Morphing模拟植物器官的生长变形,解决了植物器官的生长建模问题。③实现了一种基于开放式L系统的虚拟植物生长建模平台Plant Lab 1.0。该系统实现了L-Studio的基本功能,并引入器官库,弥补了L-Studio在植物器官难以可视化上的不足。④根据L系统在植物生长建模方面的缺陷,讨论了基于“虚拟器官”的植物生长建模方法及其在器官生长变形中的应用。⑤最后,给出了论文方法的研究意义及下一步的工作展望。

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 L 系统理论知识
• 2.1 D0L 系统
• 2.2 字符串并行重写
• 2.3 L 系统的几何解释
• 2.4 几种扩展的L 系统
• 2.4.1 随机L 系统
• 2.4.2 参数L 系统
• 2.4.3 语义相关L 系统
• 2.4.4 开放式L 系统
• 2.5 本章小结
• 3 基于 L 系统和三维 Morphing 的植物生长建模
• 3.1 拓扑结构建模—平台L 系统
• 3.2 器官生长变形—三维Morphing
• 3.2.1 顶点数和拓扑结构相同的三维Morphing
• 3.2.2 任意拓扑结构的三维Morphing
• 3.2.3 具体实现
• 3.3 算法描述
• 3.3.1 植物器官生长建模
• 3.3.2 植物的拓扑结构建模
• 3.4 本章小结
• 4 基于“虚拟器官”的植物生长建模
• 4.1 基本原理
• 4.2 虚拟器官
• 4.3 虚拟器官在器官生长变形中的应用
• 4.4 本章小结
• 5 实验及结果
• 5.1 L 系统实验平台—PlantLab v1.0
• 5.2 三维Morphing 实验
• 5.3 实验结果
• 5.4 本章小结
• 6 总结和展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 未来展望
• 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