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虚拟植物范文6篇(全文)

花匠小妙招
2024-09-10 14:21

虚拟植物范文（精选6篇）

虚拟植物第1篇

关键词：虚拟现实,植物建模,十字交叉法,广告牌法,三维实体法

虚拟现实技术应用于园林景观设计,可利用动态和交互方式对未来的园林进行身临其境的全方位的审视,可达到传统的园林效果图所无法达到的效果。植物是园林景观的重要组成元素,植物造景日益受到重视。植物模型是景观三维模型的重要组成部分。研究植物模型具有重要意义,特别是植物形态学三维模型直接影响场景的真实性和自然氛围。在许多行业都有广泛应用,如,景观设计、计算机游戏、影视动画等。但是现今园林景观设计的各种效果展示中真正的植物模型的应用较少,主要是在Photoshop中使用大量植物贴图以达到效果。

1 植物模型特点及建模难点分析

树木形态的复杂性与计算时间和空间的矛盾一直是可视化研究中的难点。根据植物的自身特点,分析其构建难点主要存在以下几点[1]:

1)植物体自身的形态结构上相对于其他地物模型具有形态不规则性。就植物地上部分的形态结构,枝干、叶、花、果实等各部分多是不规则的几何体。如多级分枝、枝条的弯曲、树木的向光性,由于季节变换和光照强弱等引起的树木尺寸、形状及颜色等的变化,树皮纹理的设置,树木分枝间的光滑与非光滑连接等。要体现细节变化,必然增加模型数据量。

2)同一棵或同种园林植物的形态元素(花、叶、果实)间存在个体差异性。

3)园林植物的种类具有多样性。要创造丰富多彩的植物景观,首先要有丰富的植物材料。

4)园林植物在时间和空间上具有可变性。大多园林植物,特别是落叶植物及秋色叶数珠具有明显的季相变化。比如,樱花及其他樱花类,春季花开时满树灿烂,夏季绿叶茂盛,秋季叶色渐渐变褐或红褐色,冬季枝条挺立。树篱、植物雕塑、盆景等经过人工修剪或整枝形成的的形态上的变化,使得园林植物形态上的变化性加大。

5)同属及同种植物间的相似性同时也给模型带来一定的难度。如,某些品种间是通过花色或细微的形态差别来分类的,这就给通过植物模型来区分植物种类带来了一些麻烦。

2 园林植物的表现方法

虽然植物的模型建造中存在诸多的难点,不过,虚拟植物的构建一直是计算机可视化研究领域的热点。虚拟植物生长主要的研究方向有两个:一是植物生长的生理生态模拟,注重植物学理论的真实性;一是单纯的植物外观形态模拟,注重视觉效果的真实性。

虚拟植物生理生态模拟的目的在于植物生长过程的研究,可用于农林业研究,将虚拟植物(农作物)生长技术应用于农林业研究具有重要意义,其中以虚拟作物生理生态模型的研究开始的较早。1965年至1970年为作物模拟的开创时期期。我国的作物模拟研究开始于20世纪80年代初期,并且得到了快速发展。水稻栽培计算机优化决策系统(RCSODS)、棉花生产决策系统(DECOCA)、小麦生产管理计算机辅助决策系统(DSSWPM)等相继成功,并在一定地区得到应用[2]。

植物外观形态模拟目的在于自然景观的再现,主要应用于教育(用于制作电子出版物、数字图书馆、植物生长教育软件以及集游戏和教育的儿童启蒙软件等);娱乐(用于三维动画片的制作、电子游戏中虚拟场景的生成、影视特技的制作等);商业(用于在网上展示产品、与客户交互等电子商务方面、广告的创意制作);计算机辅助设计;园林规划和生活区设计、城市规划等。

与植物生理生态过程的模拟相比,植物外观形态结构的模拟起步较晚。20世纪70年代,B.B.Mandelbrot提出了“分形方法”,这是一种纯图形学的虚拟植物建模方法;1985年,Williams_和Hutchinson以分形方法为基础开创了迭代函数系统,即IFS系统(Iterated Function System),并且用IFS系统生成了具有极强的相似特征的蕨类植物叶片;1983年Reeves提出了适合描述火、云、水、森林、草原等复杂自然景物的粒子系统,能够充分体现不规则模型的动态性和随机性,擅长描述随时问变化的物体对象。1968年生物学家林德梅叶(Lindenmayer)提出了L系统(L-system),规定了植物形态模拟的一般框架。法国农业发展国际合作中心(CIRAD)研究出的AMAP(Advanced Modeling of Architecture of Plant)模型是一种模拟植物生长的典型随机过程方法,通过对植物的结构进行观测、研究。获得对其形态与结构的定性理解和认识,再测定植物形态的定量数据,由此构建植物的几何模型,并制作基于此模型的参数表,最后在计算机上生成植物的图形。AMAP系统已成功地在计算机上构建了多个种类的植物。为了获取真实植物的特征数据,必须测定植物结构,模型为此引入了生长单元、节间和生长环的概念。随着植物虚拟技术在生理生态和形态结构两个方向上的发展,二者也开始有相融合的趋势。目前,将两者并行考虑的模型并不多见。作为模拟植物形态结构的L系统也开始考虑生理生态过程,并已取得一定成效;CIRAD根据自己的建模思想,也设计出综合形态和生理的虚拟作物,并做了相应的验证[3,4]。

3 植物模型的建造方法

3.1 面片贴图法

这种方法通常在模型建造软件中建立单个面片或两个互相垂直的矩形面片,然后把植物立面用贴图的方式贴到面片上,并通过alpha通道进行透明处理。这种做法产生的植物适合于远景的表现,它将二维图像直接引入了三维场景。用面片贴图法创建模型时,最重要的是处理好植物贴图。需要根据不同的软件不同的贴图方法处理成不同的贴图格式。比如,3ds Max中通常使用两张贴图来表现植物。图1所示彩色图片作为面片的表面贴图,图2所示alpha贴图作为透明贴图。此类贴图的格式通常为jpg格式。而tga、rgb、png等图像格式可存储alpha信息。因此在Photoshop中制作好alpha通道是至关重要的。

将植物图片贴至两个互相垂直的面片上的方法称为十字面片法(如图3)。单个面片贴图技术又称广告牌技术(如图4)。这种模式实现的植物模型一直正对着摄像机,跟视点的偏移而变化,始终保持正面面对视点。

十字面片法和广告牌法各有优缺点。十字面片法构建的模型立体感稍强,但是当摄像机拉近或视点移近,摄像机于面片成一定角度时,图片的失真度加大。而广告牌方法创造的面片由于其始终正对摄像机或视点,因此其表现效果较强,而且只有一个面片,模型数据量减小,但是因为系统运行时一直要计算它与摄像机的关系,所以要增加计算机的CPU的运算负担。通过面片贴图的方法可以有效的减少模型量,由于树木图片的真实性,使得植物模型真实性增强。但是当植物模型拉近,图片就略显失真,并且立体效果减弱。不过,综合虚拟漫游的实时渲染需求,这种方法是一种有效的树木构建方法。

3.2 三维实体法

三维实体结构的树木模型,可以从各个角度观看和表现,有正确的透视关系。

对于这种三维实体模型又分纯三维的几何实体树木模型和混合式的植物模型。三维几何实体模型,树木的树干、各级分枝及树叶都要通过具体的几何体表现。这种方法构造的几何模型三维立体效果强,但数据量较大,在一般的小场景或纯艺术表现图的制作中用到,而在动画制作或虚拟现实场景中则是华而不实的模型。混合式的树木模型,指的是三维模型和二维贴图混合的方法。就是将绘有树叶、树皮细节的贴图与树干或框架的几何体结合起来,即表现了细节同时又具有三维立体效果,同时极大的减小了树木的模型量,常用于动画、游戏、虚拟现实等的制作。

4 结论

随着计算机图形技术的发展和日趋成熟,以商业、教育、娱乐,园林设计等为应用背景,以视觉效果为目的的虚拟植物领域得到了迅速的发展。现有著名的虚拟植物建模软件有:Xfrog,Speed Tree,Tree Storm,AMAP等。在场景中构建植物模型时,应根据对模型的具体要求及场景整体效果,选择建模方法和建模工具。对于整个场景中相同种类的树木重复使用同一个模型,以尽量减少数据量满足实时渲染要求。

参考文献

[1]毛卫强,潘云鹤.植物三维建模方法综述[J].计算机科学,2000,27(6):35-37.

[2]肖荧南,马永良.作物生产决策系统[C].香山科学会议第95次学术讨论会,1998.

[3]Prusinkiewicz P,Hanan J.Lindenmayer System[M].New York:fractals and plant Springer-Verlag,1990.

虚拟植物模型及可视化的研究第2篇

近40年来,以作物群体阶段发育和干物质积累为对象的作物生长模拟研究得到了长足发展,各种模型及基于模型的作物辅助决策系统在农业生产中也已得到初步应用。以个体或群体形态结构为研究对象的植株可视化却是近几年才发展起来的,目前已成为作物模拟研究新的领域。可视化研究是植物结构模拟技术和虚拟现实技术在作物生长模拟中的应用。随着信息农业的发展,作物生长过程可视化必将进一步深入。

1 虚拟植物模型方法及研究进展

1.1 虚拟植物模型

虚拟植物是近20年来随着信息技术和计算机技术的快速发展而出现的新兴研究领域,是建立在植物学、计算机图形学、数学和虚拟现实技术等多学科基础之上的交叉学科。目前,用于构造植物形态的计算机模型很多,大致可分为3大类:第1类模型用于生成仅从视觉上近似于植物的计算机图形,注重视觉效果的逼真性,而不是植物学理论的真实性;第2类模型称为静态结构模型,是利用三维数字化方法测定具体植物的形态结构后直接应用这些数据构造特定植物的形态模型;第3类模型是动态结构模型,能模拟植物的动态生长过程,包括“L系统(L-system )”和“AMAP模型”等著名模型。

1.2 L系统

L系统由美国生物学家A.Lindenmayer于20世纪60年代提出的。最初的L系统被用来模拟简单生物体(如藻类)细胞的分生、生长和死亡的过程。1984年,Smith提出用L系统作为工具在计算机上生成植物图像。加拿大Calgary大学的Prusink-iewicz等人用L系统来模拟树、灌木丛和花朵。在众多学者发展和应用下,L系统得到了迅猛发展,已成为虚拟植物建模的主要方法之一。

1.3 分形方法

分形理论是 Benoit B Mandelbrot 为描述具有自相似性的自然碎片或不规则结构而提出的一种探索复杂结构的新科学方法与理论。分形方法是根据分形理论来表现出植物生长的拓扑形态结构。1993年,Chen等人利用分形方法建立了杨树的虚拟模型。模拟了杨树生长过程中叶面积和叶倾角的空间分布, 并将虚拟的杨树群体投射到平面上, 对所生成的图像采用数值影像分析系统进行处理, 同时研究了杨树冠层的光传输规律。Oppenheimer用分形方法模拟了落叶的叶脉。

1.4 粒子系统法

粒子系统方法(Particle system)是 Reeves 在 1983年提出的。该方法采用一套完全不同的造型和绘制系统来构造与绘制植物。植物被定义为由成千上万个不规则的、随机分布的粒子(如点、小立方体或小球等)所组成, 每个粒子均有一定的生命周期, 它们不断改变形状、不断运动。粒子系统的这一特征充分体现了不规则模糊物体的动态性和随机性, 很好地模拟了火、云、水、森林和原野等自然状况。

1.5 植物三维重建法

该方法利用仪器采集植物的空间数据, 在计算机上编写程序,调用获得的空间数据, 从而实现植物的三维模拟。这是一种对现实植物的模拟方法。Smith 等人用红外线经纬仪测得猕猴桃藤蔓的空间坐标, 由经纬仪产生的数据文件用专门编写的MAPIT 软件实现了猕猴桃三维重建, 并模拟了植物不同部位对光辐射的截获及植物冠层的光合作用。

2 虚拟植物的可视化

植物生长的过程同时包含了植物形态结构发生改变以及生态生理发生变化的过程。因此,在对植物生长进行可视化仿真时,必须根据植物体的一些初始信息及环境因子计算出植物生长过程的各种参数和数据。形态结构是从静态的角度描述植物的外观特征,其研究对象主要是植物生长过程中发生的拓扑结构演变和几何形态变化的规律。如可以通过观察植物的形态结构来研究植物冠层光分布、作物蒸腾和遥感监测精度等,而生理生态是基于形态结构来提取植物的生长规则,动态地反映植物在各个生长阶段的发育状况,是虚拟植物生长研究的主要发展方向。

在计算机上通过可视化方式来显示植物生长发育状况时,是在充分利用二维或三维图形信息及与之相关的几何模型、光照模型、纹理映像和渲染等算法基础上,将所建立的植物生长模型中获取的一些数据信息转换为图形信息。在获悉植物生长机理后,可建立相应数学模型,通过编程平台综合运用各算法,将植物生长几何信息转化为直观的图形信息,并在计算机终端以可视化的方式来输出相关的信息。

通过可视化技术获得的相关信息为研究植物生长提供了直观、便捷和有效的方法。它不仅可以分析和解释植物生长过程中发生的形态结构变化,还能进一步挖掘植物生长的潜在规律,从而能有效地验证所建立的植物生长模型的有效性。如在分析光合作用产量、向光性、植物之间的生存竞争以及人工干预下植物生长所受到的影响等方面,都体现了该手段强有力的作用。

3 用L系统模拟玉米形态

通过对植物发生变化过程的分析和处理,就可以采用可视化方式来对植物生长过程中发生的形态结构以及生态生理变化等特性进行仿真,如玉米叶的分生、植物的向光性、由季节变化和光照强弱等因素引起的各组织器官的尺寸、形状与颜色等变化。在对植物器官(如茎、叶、花和果实等)进行绘制时,要根据不同植物各自器官的属性,采用相关的算法进行模拟。

从宏观上看,植物在其形态结构的组成上有一个共同点,即植物都是由主干和分叶这些基元组成的。每个基元的形成又遵守着一个同样的方式,即由主干上分出分叶。植物在其形态的发生与发展过程中就是这样不断地在已经存在的组织上复制一个与其相类似的部分,使得植物的生长呈现出一定的分形特征。所以,要确定一个植物的分形特征,就必须从分析植物形态的发生及发展规律入手。

植物模型的层次性在计算机图形学中称为模块化。模块是一个基本单位,通常指植物的某一个器官或由一组器官构成。最重要的植物模块是植物茎结构。植物模块的几何表示对三维可视模型具有重要意义。应用L系统建模方法对植物进行建模,实现植物生长形态的构建。L系统模型可描述为

式中 V—带参数的基本字符集,V={F,+,-,[,]};

W—带参数的起始符号元,用以确定字符串的初始状态,且W∈V,是V上所有非空的单词集,此处W=“F”;

P—生成规则(即替换法则)集,也称其为分枝模型集,是所谓产生式的有限集合;

∏—函数P→ (0,1)的概率分布,即将生成规则集映射到生成规则概率集合上,对V中的任意字符,以它为前驱可以有多个不同的生成规则,所有这些生成规则的概率之和为1。

若生成规则为P={F→FF+[+F- F- F]-[-F+F+ F],+→+,- - → -,[→[,] →]],使用L系统建模理论对玉米进行创建。设玉米主干与Z轴重合,获取分支的位全参数,即分支的X轴偏移、Y轴偏移、分支的长度与父节点信息等,创建玉米分支。

4 结论

1) 在获得植物生长过程中发生的形态结构以及生态生理变化等特性后,应用L系统建模方法对植物建立相应数学模型,通过编程平台综合运用各算法将植物生长的几何信息转化为直观的图形信息,并在计算机终端以可视化的方式来输出相关的信息。

2) 通过可视化技术获得的相关信息为研究植物生长提供了直观、便捷和有效的方法。它不仅可以分析和解释植物生长过程中发生的形态结构变化,还能进一步挖掘植物生长的潜在规律,从而能有效地验证所建立的植物生长模型的有效性。

3) L系统建模方法有其不足之处,还需要与其他方法结合,这是要继续进行的工作。

摘要：虚拟植物生长是农业信息技术和计算机图形学领域中主要研究的课题之一。虚拟植物生长就是在计算机上仿真模拟植物在三维空间的生长过程,在农林业等领域有着广阔的应用前景。为此,论述虚拟植物生长模型的分类和生成植物图形的方法,介绍了植物虚拟生长的研究现状。

关键词：虚拟植物,可视化,L系统,综述

参考文献

[1]Lindenmay A.Mathematical models for cellular interaction in development,Parts I and II[J].Journal of Theoretical Biolo-gy,1968,18:280-315.

[2]Smith A R.Plants fractals and formal languages[J].Com-puter Graphics,1984,18(3):1-10.

[3]胡包钢,赵星,严红平,等.植物生长建模与可视化-回顾与展望[J].自动化学报,2001,27(6):816-835.

[4]赵星,de Reffye P,熊范纶,等.虚拟植物生长的双尺度自动机模型[J].计算机学报,2001,24(6):608-615.

[5]唐卫东,李萍萍,崔梅英.基于生长机的虚拟植物可视化技术研究[J].微计算机信息(测控自动化),2006,22(6):240-242.

[6]耿瑞平,涂序彦.虚拟植物枝条生长与形态生成模型研究[J].计算机工程与应用,2004,23:4-5.

[7]郭焱,李保国.虚拟植物的研究进展[J].科学通报,2001,46(4):273-280.

虚拟植物果实的可视化建模技术研究第3篇

植物形态模型研究与可视化技术是数字化农业研究的一个重要方面,是当前国内外农业信息化研究的热点问题之一,而利用计算机工具绘制出具有真实感的植物器官或个体是其关键技术之一。

植物的果实是植物的重要组成部分之一,其形态结构和表面特征都与植物在生长过程中的生理功能有着密切的关系[1]。另外,湖南省是一个柑橘大省,且柑橘是湖南最重要的水果之一。但是,目前关于果实类的可视化研究还比较少且相对薄弱,因此以柑橘为例开展植物类果实的可视化工作研究具有重大的意义[2]。

植物形态及其器官的可视化模拟研究已经有几十年的历史,并取得了巨大的成绩。在植物器官方面,Fournier[3]和Evers[4]建立了小麦器官的几何构造模型,并采用L-systems 系统模拟了小麦的分蘖;邓青青[5]等利用4个双3次Bézier曲面构造了苹果的几何造型;陆玲[6]等提出了基于曲面参数方程的植物果实的造型方法,利用凹凸纹理处理方式对椭球面参数方程进行变形,以及正弦函数的变化规律对植物表面颜色纹理进行模拟;赵春江[7]等提出一种基于B 样条曲线的西瓜器官几何造型方法,利用位置信息和茸毛生成技术描述器官的局部细节特征,并依据西瓜器官的主要形态特征来提取器官几何模型的主控参数;Kafashan[8]等利用平板扫描仪获取等分苹果切片的数据信息重构了苹果的三维模型;郭炎等[9]使用数字化仪实测数据实现了玉米冠层的三维重建;此外,一些研究者还开展了水稻的形态建模研究。以上的方法虽然可以很好地构造出植物果实的形态,但在实现过程中过于复杂[2],不能简单有效地对果实表面的凹凸特征结构进行构造。

为了有效地对植物果实的表面特征进行重构,本文以柑橘为例,利用计算机辅助几何设计中的曲线理论和分形理论中MapL系统分别对果实的轮廓结构和表面特征进行构造。该方法的创新之处是将MapL系统应用到果实表面特征的凹凸构造上,以达到有效描述植物果实表面特征的目的。

1 虚拟果实的模型构建

由于受气候与土壤等多种原因的影响,湖南省柑橘的外观特征主要表现为:果实呈扁圆形,果顶稍微凸出,果底有洼陷;单果质量大约120g;黄色,皮质粗厚,表面凹凸不平等[10]。成熟柑橘图片如图1所示。

根据柑橘切面轮廓可以发现,其果实具有轴对称的相关性质,即它是沿着中心轴(果轴)对称,平分果实的切面直径(果径)。因此,柑橘果实几何模型的构建思路如下:首先,以广义的圆柱体作为中心轴(果轴),通过参数曲线来控制其半径(果径)的变化[12];其次,在轮廓构建中,可以通过构造合适的圆柱体中心轴线和边缘控制曲线来描述其轮廓[11]。其大致的切面轮廓图如图2所示。

1.1 果实的轮廓模型构建

在构建柑橘果实的模型过程中,建立的模型不仅需要反映出其外形特征,还必须具有操作的方便性。由于Bézier曲线是一条具有凸包性和几何不变形的光滑的曲线[12]。因此,在柑橘轮廓的构建上,本文采用常用的三次Bézier曲线来拟合其外围轮廓[11]。其方程为

Ρ(t)=∑i=0nBi,n(t)pi(0≤t≤1) (1)

Bi,3(t)=C3iti(1-t)3-i (2)

其中,Pi是用4个点(i=0,1,2,3)来定义Bézier曲线的控制点,其分别对应图3中的A0,A1…A3 。Bi,3(t)是三次Bernstein的基函数。

根据果实学的特点,确定符合果实轮廓曲线特征的4个控制点,这样就可以利用这4个控制点,构造出其大致轮廓,结果如图3所示。

1.2 整体轮廓构造

根据图3可知,Bézier 曲线是由坐标的信息生成。为此,可以设p0(x0,y0,z0)是轮廓曲线上的任意一点,点p(x,y,z)是p0(x0,y0,z0)绕Y轴正方向逆时针旋转θ度得到的[12],则有

x=|x0|*cosθy=y0z=|z0|*cosθ

(3)

θ由0°到360°进行增加,从而可以利用式(3)对Bézier 曲线上所有的点进行计算,确立柑橘果实轮廓点的三维坐标,建立起果实的整体轮廓[13],如图4所。

2 果实的表面重构

根据文献可知,果实的表面重构一般是曲面重构,其主要分为函数型曲面的重构和离散型曲面重构两种主要的方法[12]。这两种方法可以很好地进行果实表面重构,但柑橘具有皮质粗厚、表面凹凸不平的主要表面特征。为了更好地描述果实的外部特征,这些表面的细节真实感的描述就显得非常重要。因此,本文采用了分形理论中的MapL系统来生成具有凹凸不平的表面特征。

目前,MapL系统主要用于描述细胞分裂的拓扑结构,可以建立细胞间的邻进关系,其实质是映像迭代重写[14]。

定义[15]:MapL系统是由带边的一个有限字母表∑、一个带有∑中标记的初始映像ω和边产生式的有限集合p构成。其中,边具有方向性并由位于此边符号上的箭头所决定,如果边的方向不起作用,则称边为中性。每个产生式的形式是A→a,其中有方向或中性的边A∈∑称为前驱,字符串a是由∑中的符号构成,其称之为产生式p的后驱【】。

因此,MapL系统生成的步骤由两个阶段构成:

1)每条边由产生式P中相对应的边的产生式的后续边和标记进行置换;

2)对每个区域内相匹配的标记进行检测。

举例说明如下

ω:ABAB

P1:A->B[-A]x[+A]B

P2:B->A

其中,边x表示分离产生式P1后继中的标志,其结果如图5所示。

图5说明了经过(a)～(b)4步的推导迭代得到的最终生成图形。因此,在描述柑橘的表面凹凸性时,首先可以采用OpenGL技术,生成一个具有凹凸点的图像,在MapL系统中把这些凹凸点当成一个细胞,进行多次迭代映射,最终使整张图片都具有凹凸感。

3 实验结果及分析

根据柑橘果实的生长规律可知,柑橘果实的大致形状大都呈现椭圆球型、底部有凹陷、顶部凸出的特征。在生长过程中,其表面颜色随着深绿色向深黄色转变,成熟的果实果皮主要为黄色为主。

依据上文中提出的柑橘果实轮廓构建模型以及表面真实感重构方法,在柑橘果实形态因子的影响下,本文主要以VC6.0作为程序的开发平台,采用C++语言,结合OpenGL技术,对果实表皮进行构造,采用C++语言定义的数据结构如下[16]

Typedef struct FruitSur{

unsigned Index;

string Color1;//表面颜色

string Color2;//凹凸点的颜色

int Point;//凹凸点的个数

int IterMum; //迭代次数

};

然后,在VPM(植物造型)平台上对柑橘果实进行了模拟与仿真,如图6所示。

图6的两组仿真结果从柑橘果实的底部、侧面以及顶端进行了全面展示。在第1组仿真结果中,果实的颜色较深凹凸感比较强,它代表了成熟后的果实;第2组仿真结果中,果实的颜色较淡,对于表面凹凸感较弱,它代表成熟度不够的果实。因此,通过果实表面的颜色及其表面的纹理特征,可以对果实进行大致判断。仿真实验表明,该方法能有效地对植物果实的形态结构及表面特征进行重构与仿真。

4 结论

本文采用Bézier 曲线对柑橘果实的轮廓曲线进行了描述,快速有效地构建出了柑橘果实的几何模型。采用MapL系统对柑橘果实的表面进行了重构。通过实验所得,取得了较好的效果,通过对仿真后的结果进行分析,可以对植物果实的成熟度及质量进行识别,为农产品的检测提供思路。另外,本方法具有较好的通用性,对其他植物果实和植株的表面特征可视化构造具有一定的指导意义。

但是由于植物果实的表面特征不仅会随着生长发生较大的改变,而且在生长过程中受外部条件的影响,也会改变果实的表面特征,因此植物果实往往具有非常丰富的表面特征,给植物果实的仿真带了巨大的困难。本文所提出的植物果实表面结构特征的构造方法,只适合某一特定时期的形态,不能模拟其生长发育的过程。在今后的研究中,需要考虑生长过程和环境对果实表面特征的影响,能够快速地对果实生长过程的变化进行有效的仿真,为植物器官生长过程的数字化与可视化模拟提供基础。

摘要：为了有效、逼真地描述植物果实的外部特征,实现植物果实形态结构的数字化设计和可视化模拟,以柑橘为例,提出了一种植物果实的可视化建模方法。该方法采用Bézier曲线拟合柑橘果实的外轮廓,模拟出果实的大致形状,利用MapL系统来对柑橘表面凹凸的局部特征性进行模拟,并给出了柑橘果实模型的实例。实验表明,该方法能够模拟多种柑橘果实的外观特征,并具有较好的真实感效果,易于构建虚拟植物果实的生长模型。

虚拟植物第4篇

虚拟植物以植物个体为对象, 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。它对农业研究具有重要意义, 进行农业虚拟试验, 实现农业虚拟管理, 为精确农业和持续农业提供了依据, 为农业辅助教学和农业科技推广提供了一种先进手段[1]。利用L-系统建立植物模型是虚拟植物建模中常用的方法之一。

1 L-系统中植物组织的模块化

植物一般由嫩芽、花朵、叶子和枝干等组织构成。假设将这些组织器官看成是植物的功能模块, 则单株的植物便是这些功能模块的组合, 如图1所示[2]。L-系统是以这些模块为植物的基本单元。

2L-系统可视化过程

2.1 根据产生式并行替换字符

D0L-系统由一个三元组G=表示, 其中V是一个字符集。根据上下文, V中字符表示植株的功能模块, 如V={叶子, 花朵};起始符w表示起始符, w∈V+, 又称为公理;P⊂V×V*是一组产生式。产生式P表示当前符号可以用其他符号代替。通常, 产生式都会写成P→S, 表示所有出现符号P的位置都可以用字符串S去替换。

如果产生式的后继单词是空字符串, 则表示要移除前驱字符所表示的功能模块。在产生式中, 恒等替换是不需要说明的, “∀P∈V, P→P”是隐式成立的。D0L-系统中的“D”表示对每一个P∈V, 有且只有一个S使得P→S, 即该0L系统是确定的, “0”表示与上下文无关[3]。

下面是一个完整的替换过程演示

字符集undefined

起始符undefined

Pl:undefined

规则 P2:undefined

P3:undefined

P4:undefined

利用上述规则, 可产生图2中的迭代序列[4]。

2.2 字符串中分枝结构的实现

分枝结构是植株的一个显著特点。为了构建分枝, 有必要在一个模块下依附多个模块。引入两个特殊符号:方括弧“[”和“]”, 分别表示分枝的开始和结束;解析时, “[”与“]”分别代表堆栈操作中的入栈与出栈。封装在方括弧里的字符串是一条完整的分枝, 而且方括弧可以嵌套使用。

2.3 L-系统的可视化

为了表达植株的几何特性, 引入LOGO软件中的“海龟爬行解释法”。通常二维平面上会定义如下动作方式:

1) F:向前移动n个步长, 并从原先位置到当前位置画一直线;

2) +:前进方向逆时针转δ°;

3) -:前进方向顺时针转δ°。

令n=1, δ=20°, 以下L-系统将会构建出如图3所示的仿真图形。

w=F

P:F→FF+[+F-F-F]-[-F+F+F]

3 复杂L-系统的设计

3.1 参数L-系统

D0L-系统是在说明之外定义固定的步长大小和旋转角度。引入参数可以在定义过程中指明步长属性和旋转角度, 如“+ (10) F (1) + (40) F (10) ”。定义的参数意义取决于L-系统设计者, 可以用来存储植株的年龄、组织大小以及细胞激素水平。

3.2 上下文相关L-系统

上下文相关L-系统注重相邻模块之间的信息交换。构建此类L-系统的产生式时, 要在被替换模块的上下文增加约束条件。

字符集V = { A , B, C }

起始符w = A ( 5.0 ) B ( 0.0 ) C ( 0.0 )

规则P1:A ( amount ) < B > C :true→B ( amount )

P2:B ( amount ) < C :amount > 2.5→C ( amount - 2.0 )

单尖括号“<”和“>”分别确定了左右上下文界限。产生式的应用条件是要替换的符号出现在特定的上下文, 并且要满足替换的前提。迭代过程为:

A ( 5.0 ) B ( 0.0 ) C ( 0.0 ) ⇒A ( 5.0 ) B ( 5.0 ) C ( 0.0 ) ⇒A ( 5.0 ) B ( 5.0 ) C ( 3.0 ) ⇒...

值的传递方向是从左至右。从迭代过程可以获知, 利用存储在相邻模块中的信息进行判断和计算是有可能实现的。

3.3 随机L-系统

上述的L-系统都是确定型的, 即一个字符串每次用给定的系统进行推导得到的结果字符串都是一样的。因此, L-系统被认为是用来描述单株植物的, 而不是植物种类。如果用确定型的L-系统显现一个区域的花, 效果看起来会失去真实性, 这时可以考虑使用随机L-系统。随机L-系统中相同的前驱可能会有多个产生式相匹配。这些产生式的特征是具有相同的前驱符号和不同的后继符号, 并且每个可供选择的产生式都有一个选中的概率值。

起始符w = F

规则￣P1:undefined

P2:undefined

P3:undefined

当推导过程中遇到多个匹配的产生式, 则根据各个产生式的概率值随机选一个。因此, 同一个随机L-系统可以产生不同的结果, 如图4所示。

确定性产生式可以看成是随机性产生式概率为1时的特殊情况。利用随机L-系统可以构建某一类植物, 而不仅限于单株植物。

3.4 Open L-系统

植物在整个生长过程中离不开各种环境因素的作用。同时, 植物的生长也会对周围环境造成相应的影响, 如图5所示。所以, 建立植物生长模型时, 除了要分析植物器官的几何形状及拓扑结构变化外, 还要考虑影响植物生长的外部环境因子[5] (如光照、湿度、温度或养分等) 。在上述各类L-系统的基础上, Open L-系统引入了函数表达式E (x1, x2, …, xn) , 建立植物与外部环境之间的信息交互方式。引入函数表达式H (y1, y2, …, yn) , 通过它建立植物结构与功能之间的信息交互关系[6]。

4 总结

1) 经过以上对各类L-系统的论述以及Java语言的实现过程, 定义一个可以工作的L-系统是简单的。

2) 如何使仿真效果与现实中的植物更加相似, 取决于正确提取植物的生长规则, 这也是L-系统在虚拟植物应用的关键。

3) 目前, L-系统的三维化和虚拟植物的三维建模是发展的必然趋势。因为现实中的植物是立体的, 人们希望计算机能模拟更加真实的植物, 而且环境因素的交互是将来虚拟植物模拟的一大挑战。

摘要：L-系统是表达植物拓扑结构和其生长规律的重要方法, 是设计虚拟植物与模拟植物生长过程的重要工具之一。为此, 介绍了L-系统的并行替换机制和海龟几何解释机制, 并结合Java语言, 实现了D0L-系统与随机L-系统的植物拓扑结构模拟, 以证实L-系统的模拟效果。最后, 对L-系统在虚拟植物中的应用进行了展望。

关键词：L-系统,虚拟植物,字符串重写规则,可视化

参考文献

[1]孙永春, 刘彤, 郑永果, 等.虚拟植物的建模方法[J].系统仿真学报, 2006, 18 (1) :263-264.

[2]P Prusinkiewicz, MHammel, J Hanan, et al.Plants to ecosys-tems:Advances in computational life sciences1-Proceed-ings of the2nd CSIRO Symposium on Computational Challen-ges in Life Sciences[C]//M T Michalewicz.L-systems:from the theory to visual models of plants.CSIRO Publish-ing, 1996.

[3]孔勇.L系统在植物形态模拟中的应用[J].农机化研究, 2007 (4) :136-137.

[4]P Prusinkiewicz.Introduction to modeling with L-systems-L-systems and beyond[C]//Course Notes, SIGGRAPH, 2003.

[5]Radomír M嚙ch, P Prusinkiewicz.Visual models of plants in-teracting with their environment—L-systems and beyond[C]//Course Notes, SIGGRAPH, 2003.

虚拟植物第5篇

关键词：药用植物园,虚拟仿真,虚拟药用植物学,中医药教学,中医药科研

药用植物园是中医药院校的重要实验基地, 是中医药教学中重要的实践场所, 同时也为中医药科研提供资源。中医药教学中的实践教学是重要的组成部分, 随着对教学水平和学生实践动手能力要求的不断提高, 对实践教学也不断提出新的方法。在信息电子技术和网络计算机技术高速发展的今天, 虚拟药用植物园为中医药教学改革提供了新的途径。

虚拟药用植物园是药用植物园的一种虚拟表现形式, 使人们能够获取探究和管理药用植物园的大量信息;是以互联网为基础, 以空间数据为依托, 以虚拟现实技术为特征, 具有三维界面和多分辨率浏览器, 面向公众的开放系统;可使药用植物园的信息实现数字化管理, 并为公众提供身临其境的交流和访问平台, 通过该系统可查询园内各区面积、海拔、药用植物的物种数、药用植物形态图片等基本信息, 以及详细的各个区的景观[1]。从总体发展来看, 主要对中医药领域学科有如下影响:

1 虚拟药用植物园在中医药教学方面的作用

中医药教学有较强的实践要求, 不仅要掌握理论知识, 医药学原理, 还要进行各个学科的实验, 并且熟练实验技能。受到现有的实验课时安排及实验条件限制, 不能有效的提高学生的实验教学的效果, 虚拟仿真技术在药用植物园的应用能够突破传统中医药领域教学的局限以达到理想的教学效果。

1.1 开展虚拟教学, 能够拓展教学空间。

虚拟药用植物园把虚拟仿真技术和药用植物园有效结合, 能够模拟真实的教学环境, 教学内容, 并能通过互联网进行在线学习。学生可以利用课余时间, 在药用植物园基地之外, 进行相关学习。虚拟药用植物园提高了学校教学资源的利用率, 增加了学生学习的机会, 为学生提供了更多的学习途径。同时, 它还为学生与教师提供了交流的平台, 能够帮助教师更及时更有效的为学生解决问题。虚拟药用植物园打破时间与空间的限制, 尤其是一些道地药用植物的学习与研究, 学生能够利用软件进行更直观更详细的学习, 使学生能够灵活安排自己的学习计划, 实现自主学习。另外, 虚拟药用植物园能够节省教学经费, 虚拟环境下, 资源可以循环利用, 避免资源浪费。虚拟药用植物园不仅仅拓展了学校的教学空间, 更拉近了教师与学生的距离。

1.2 虚拟药用植物园使教学更直观、更形象生动, 培养学生自主学习的能力。

中医药教学当中要运用大量的图片、动画、视屏等资料为了在教学的过程中激发学生的学习兴趣, 以便学生能够更容易的理解教学内容, 留下更深刻的印象。学生使用虚拟软件进行学习, 能够进一步加强理解, 增强印象, 从而提高教学效果。学生可以通过软件选择学习内容, 可以仔细的观察植物的形态, 可以模拟植物的不同生长时期, 并可以通过软件模拟实验, 通过生动的演示和互动, 产生身临其境的印象。利用软件的无限循环性质, 熟练掌握理论知识和实验技能。软件考核反馈系统, 学生可以根据自身情况, 进行模拟考试, 教师也可以利用系统进行随堂测验, 随时反馈教学效果。由于使用软件有很强的自主性, 可以帮助学生养成自主学习的习惯, 对学习产生持续的兴趣。

1.3 虚拟环境下, 教学内容易于扩充更新。

虚拟药用植物学是基于计算机电子技术构建的学习型软件, 通过网络为媒介互动和沟通, 药用植物园数字化后得到虚拟药用植物园。计算机和网络技术发展迅速, 越来越快速便捷, 所以虚拟药用植物园编辑、更新和上传快速方便, 运用软件进行教学, 教学内容容易扩展更新, 便于教师丰富课堂教学。通过网络进行数据库共享, 可以随时补充新的药用植物的数据, 完善数据库。同时, 虚拟药用植物园可以通过升级自身完善学习服务系统。另外, 药用植物园的前沿信息与科研成果可以实时发布更新, 便于学生和教师查询学习。

2 虚拟药用植物学在中医药研究中的作用

虚拟药用植物园拥有庞大的数据库, 药用植物数据种类繁多, 其中不乏稀有濒危品种, 完善的数据储备, 为中医药的科学研究提供了数据基础, 为科研前准备做好了较为充分的准备。科研人员通过对虚拟药用植物园的反复运用, 不断检索学习, 不仅仅从中熟练研究所需资料, 还可以启发灵感, 选择研究题目, 确定研究方向。系统提供前沿的药用植物研究成果信息, 并且同时可以模拟出部分实践实验过程, 研究人员可以根据需要, 浏览、引用及练习, 为下一步的科研实验做好准备, 减少实验失败的风险。

3 虚拟药用植物园在中医药知识推广方面的作用

近几年, 由于中医药具有养生及副作用下小的特点, 中医药越来越受到大众的欢迎, 大众需要有效的途径了解中医药知识。虚拟药用植物园可以通过互联网实现资源共享, 大众可以通过网络, 或信息终端学习了解中医药知识。虚拟药用植物园可以提供植物的图片资料及文字解说, 还可以提供培育种植植物实验模拟过程, 增加趣味性, 更容易被大众接受。

综上所述, 虚拟药用植物园在中医药领域具有积极作用, 为中医药教学、科研以及知识普及提供了便利。作为一种辅助手段, 虚拟药用植物园必须要与实体课程结合运用, 达到互相促进的效果。作为一种新途径, 虚拟药用植物园为科学研究提供了新启发。虚拟药用植物园不仅仅服务于学校, 更服务于社会。

参考文献

[1]宋象军.虚拟实验室在高校实验教学中的应用前景[J].实验技术与管理, 2005, 22 (1) :35-37.

[2]杨青山, 李则习, 周建理.药用植物园在中医药教学及研究中的作用探讨[J].中国现代中药, 2011, 13 (1) :8-10, 28.

[3]王晓燕, 宋效先.计算机虚拟仿真技术在医学领域中的应用[J].张家口医学院学报, 2003, 20 (5) :82-83.

[4]黄宝康, 秦路平, 郑汉臣.药用植物园作为实践教学基地的功能模式探讨[J].药学教育, 2007, 23 (1) :34-36.

虚拟植物第6篇

叶子是高等植物生存的重要器官,它通过光合作用制造养分提供植物生存需要的营养,通过蒸腾作用散发水分调节周围和自身的温度。叶子所发挥的这些作用与其自身的形态密不可分,因此精准、快速地模拟植物叶片,则能够促进虚拟植物的研究和应用。

农业是支撑国民经济建设与发展的基础产业,各个国家都加大对农业领域的应用和研究。研究植物的叶片生长状态,能够促进农业的发展。目前,植物叶片的研究成果主要有侯国祥等使用数码相机拍摄树叶照片,对照片进行几何校准和图像分割后测量植物叶子面积[1];陈圣林等对植物叶子面积测量中,不同影响因子(像素、图像处理和选择阈值)对数字图像法测定值的影响进行了分析讨论[2]。1991年,学者Shimizu和Oshita采用图形处理的方法在3个维度上对植物的伸长率进行了无损伤测量, 试验结果较为满意[3]。涂晓兰使用A样条曲面创建花瓣模型,并且根据生物学原理建立了一个动态生长函数来模拟花开放过程中花瓣的连续变形过程[4]。上述方法对虚拟植物进行了研究, 但均存在对设备的要求较高且需要大量的人工交互,从而使效率较低的问题。因此,本文提出了在测量植物叶子之后,对其进行虚拟建模的方法。

本文首先利用图像处理中的灰度化方法和边缘检测方法获取叶片边缘和叶脉的分布图,然后计算取得叶脉的走向规律,最后通过L系统在计算机上模拟该叶片形态。本研究用Java语言开发了基于图像处理的虚拟植物叶子的系统,对植物叶子进行高度模拟,降低了植物叶片模型构建的复杂度,旨在对农业工作者研究叶子提供良好的技术支持,具有重要的实际应用价值。

1 样本叶片采集和处理

1.1 样本采集

选取7-8月杨树叶片作为研究对象, 将叶片压制2～3h左右,使其页面平整。找一张白纸作为参考板,中间画一条垂直线,在叶片四周画上矩形框,当采集的样本叶片在矩形框之内,且主叶柄的位置在特定叶柄选择的位置上,即为所选样本,见图1叶片样本的标准。

1.2 提取叶片特征信息

通过叶片轮廓和叶脉走向能够重绘叶片,因此本文主要的工作是提取页面轮廓和分析叶脉走向。处理流程如图2所示。将取得的叶片样本进行拍照,进行图像处理,可以得到叶片的边缘轮廓图和叶脉的走向图。

首先通过扫描仪获取叶片的数字图像,然后对图像进行处理,即把由二维数值数据给定的图像进行加工处理后输出。利用扫描仪对叶片进行扫描,扫描后图像难免会存在图像质量低等问题,影响识别的效果,因此还要对它进行预处理。预处理包括去噪处理和灰度化处理两部分。

一幅图像受到传输、量化等影响,产生各种各样的噪声,这些噪声对图像的质量会有很大的干扰。为了得到高质量数字图像,必须要对图像进行降噪处理,在尽可能地保持原始信息完整性的同时,去除图像中无用的信息。图像去噪方法有很多,如高斯平滑处理,小波去噪和中值滤波等。通过比较各种去噪的方法,本实验中采用中值滤波方法,中值滤波方法能在过滤噪声的同时很好地保护边缘轮廓信息,因此采用中值滤波法是最理想的方法。

中值滤波方法的原理:把数字图像或数字序列中一点的值用该点的一个领域中各点值的中值代换。其主要功能是让周围像素灰度值的差比较大的像素改取与周围的像素值接近的值,从而可以消除孤立的噪声点[5]。

中值滤波的实现:用一个窗口W在图像上进行扫描,把窗口内包含的图像像素按灰度级升(或降)序排列起来,取灰度值居中的像素灰度为窗口中心像素的灰度,便完成了中值滤波。即假设把以某点(x,y)为中心的小窗口内所以像素的灰度按从大到小的顺序排列,将中间值作为(x,y)的灰度值。

假设中值滤波的窗口设为3×3矩阵(窗口中共有9个像素),如图3所示。

则这个以X5为中心的3×3的矩阵窗口,将X1,X2,…,X9按从大到小的顺序排列,将中间的一个值赋给X5。

红色、绿色和蓝色是组成图像的三原色,同时彩色图像也可以变成灰度图像,根据红色、绿色、蓝色可以用不同的灰度色阶来表示它们在图像中的比重。彩色图像转化为灰度图像,关键是根据R,G,B分量来计算灰度值,最简单且有效的计算灰度值的方法是直接求R,G,B分量的平均值。这里采用的R,G,B分量的加权平均值。

图像灰度化公式为

(RGB)=(0.1140.5870.2290.1140.5870.2290.1140.5870.229)(RGB)

图片灰度图像如图4所示。

2 叶片边缘特征和叶脉特征提取

2.1 叶片边缘特征提取

通过对叶片的边缘和叶脉进行检测,获取叶片边缘信息,能够快速地确定页面的大小。本实验采用索贝尔算子Sobel operator)对叶片进行边缘检测。该算子包含两组3×3的矩阵,分别为横向及纵向,将其与图像作平面卷积,即可分别得出横向及纵向的亮度差分近似值[6]。如果以A代表原始图像,Gx及Gy分别代表经横向及纵向边缘检测的图像,其公式为

Gx=[-10+1-20+2-10+1]+AandGy=[+1+2+1 0 0 0-1-2-1]+A

边缘检测的结果如图5所示。

2.2 叶脉特征提取

通过对多个杨树叶子做灰度化处理发现,叶子的叶脉和叶面的灰度值是不同的,当采用不同灰度值进行提取时,就可以得到杨树叶子的叶脉信息,然后对得到的信息通过种植滤波的方法获取叶脉走向,如图6所示。

3 使用L系统模拟杨树叶片

本文所设计的L 系统如下:

V={ F,E,D,L,R,A,M,N,[ ,] ,+ ,-,(,)}

ω:[+L][-R]A

P1:A → (FFF[+L]FF[-R]A)

P2:L → (EEEEE[+M]EE[-N]L)

P3:R → (DDDDD[+M]DD[-N]R)

P4:M → EEEM

P5:N → DDDN

以上对杨树叶脉的主要拓扑结构进行了描述,在具体的实现过程中需要对各符号赋予图形意义。F,E,D:分别代表主脉、侧脉生长量;L,R:代表左右侧脉弯曲方向;A,M,N:表示主、侧脉生长点;+,-:左右方向侧脉与其着生脉夹角;[、]:分别表示将当前状态进、出栈;(、):控制生长量变化。

实验结果如图7所示。

4 实验结果及分析

本来利用图像处理技术与L系统相结合的方法实现杨树叶片的模拟重构,能够快速准确地重构叶片,为研究虚拟植物叶面提供有效的方法。

5 结论

虚拟植物是一个非常基础的研究课题,随着农业数字化的快速发展,它在很多方面得到应用,虚拟植物能够为从事农林科学研究的人员提供有效的仿真数据。本文以杨树叶片为例,提出了一种基于图像和L 系统相结合的杨树叶片形态特征重构方法,在叶片重构的过程中,运用了大量的图形处理算法,快速地实现了杨树叶片模型的构建。通过实验表明,图像和L 系统相结合的重构效果较好 ,本实验所用方法与传统的方法相比,操作更简单,重构更快速。然而,由于本实验对杨树叶进行虚拟重构,在研究在过程,还有其他叶子需要进一步的研究,本文为叶片重构提供了一种新的解决方案。它能够快速地对植物叶片的各种形态进行模拟,为植物叶片动态生长模型以及植物建模与可视化提供了基础。

摘要：为了快速、准确地模拟植物叶片,提出了一种基于图像处理与L系统相结合的虚拟植物叶片方法。该方法首先利用图像处理技术获取叶片边缘信息和叶脉信息,然后通过叶脉信息分析出叶脉走向规律,最后通过L系统模拟该叶片形态。实验表明,该方法能够精准地模拟出叶片形态,降低计算机虚拟叶片的复杂度。

关键词：虚拟植物,L系统,图像处理,虚拟植物叶片

参考文献

[1]侯国祥,翁章卓,李洪斌,等.基于图像处理的树叶面积测量系统[J].武汉植物学研究,2005,23(4):369-372.

[2]陈圣林,吴志华,马生健.基于数字图像处理的桉树叶面积分析[J].桉树科技,2006,23(1):6-10.

[3]Shimizu H,Oshital S.Measurement of elongation rate ofplants[C]//In:Hashimoto Y,Day W.Mathematical andControl Applications inAgriculture ndHorticulture,New-York:Pergamon Press,1991.

[4]涂晓兰.期花瓣的形变模拟[D].杭州:浙江大学,2007.

[5]何雄飞,哜思慧.图形图像处理[M].重庆:西南交通大学出版社,2010.

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