基于L-系统的虚拟植物的研究与实现

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.     

虚拟植物系统模型耦合构建技术

在构建植物生长模型时考虑其形态结构与生理功能交互关系,建立了虚拟植物模拟模型,并基于图形技术建立了植物形态的可视化模型.通过模型耦合构建出虚拟植物系统.基于芦苇生长过程进行了模拟检验,结果表明本系统对植物生长发育具有较好的预测性和可行性.     

虚拟植物模型及可视化的研究

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。     

基于L-系统的3D虚拟植物冠层光合作用模拟模型

为定量分析植物冠层结构与光分布及光合作用之间的关系,模拟实际环境中植物冠层的实时光合速率,为诸如作物模型中产量估测提供一种植物冠层尺度光合生产力计算方法,本文构建了基于L-系统的3D虚拟植物冠层光合作用模拟模型。模型主要分为3部分:基于L-迭代文法系统与三维图形绘制技术构建3D虚拟植物冠层结构,利用正向光线跟踪及天空可见率算法模拟虚拟冠层内光辐射(Photosynthetically active radiation,PAR)传输,基于太阳几何参数、大气影响参数及地理位置等参数计算真实环境中虚拟冠层顶部实时PAR强度。利用此模型,直接输入或插值处理光合环境因子数值,采用单叶光合作用模型和相关呼吸作用模型,可计算冠层内净光合作用速率并进行周期内植物体生物量的积累估算。以实测的幼龄杉木为模拟对象,计算其冠层内净光合作用速率及周期内生物量积累,模拟结果表明,基于虚拟冠层的PAR分布模拟及其冠层光合作用速率计算,是一种对植株光合生产力估算的有效方法。     

L系统在植物形态模拟中的应用

植物是自然界的重要组成部分.随着分形理论的研究与发展,虚拟植物已经成为计算机图形学研究的热点问题.其中,L系统以其定义的简洁性和高度的结构化特点,成为植物形态模拟中最常用的方法之一.为此,论述了L系统的基本概念,并在简要介绍其表达机制的基础上,利用计算机对植物的形态进行了模拟;考虑了植物的趋光性、向地性等生长特性,将扰动变量和随机性引入了L系统,使生成的植物图像更加贴近自然,提高了植物图像的逼真性.     

基于Open-L系统及递归表示的虚拟植物模型

构建符合植物学规律的虚拟植物模型是动态模拟植物生长发育的基础.为增强Open-L系统功能及克服其应用时的繁琐与不足,建立了植物与其生长环境的信息交互模型,并采用Open-L系统的递归表示来构建虚拟植物模型.通过实例验证表明,该模型能有效地模拟植物受外部环境作用下的生长过程.     

基于参数L-系统的黄瓜苗期生长可视化研究

为真实模拟黄瓜苗期生长过程,提出生长数学模型和参数L-系统相结合的黄瓜苗期生长可视化方法.通过黄瓜生长实验建立黄瓜生长数学模型,分析黄瓜苗期形态结构变化规律,提出基于参数L-系统的黄瓜苗期生长模型,用图像处理技术提取叶片轮廓特征点,并基于特征点用三角面片法三维重建叶表面,利用3次Bezier曲线和螺旋线分别描述黄瓜叶柄中轴线与节间中轴线,采用五边形作为叶柄截面,四边形作为节间截面,用三角面片法三维重建叶柄与节间表面,在VC++6.0平台下调用OpenGL图形库函数,实现了黄瓜苗期生长的三维可视化模拟.该方法可真实反映黄瓜苗期连续生长情况,为同类农作物的真实虚拟提供了一种新的方法.     

植物根系竞争生长的三维可视化模拟

基于Simroot模拟系统的数学理论,结合Visual C++编程工具和OpenGL三维图形库技术,建立了一个虚拟植物根系竞争生长的三维可视化模拟系统.通过对作物大豆的根系竞争生长的模拟表明:本系统能够形象逼真地显现植物根系竞争生长的形态结构和生物特性,具有良好的通用性和适用性.     

基于图像特征提取与L-系统的植株模型重建研究

以水稻植株模型的重建为研究对象,为尽可能地保留植株原始形态特征,研究过程中充分运用图像处理技术对水稻植株叶片图像进行了特征信息提取,并应用于叶片器官模型重建;同时,结合L-系统建模方法在稻穗器官模型重建的基础上,将图像处理技术与L-系统建模机制相结合,较为形象、逼真地实现了对水稻植物模型的虚拟重建。实验仿真结果表明,该方法能够较好地保存植株原始形态特征,对相关领域研究具有一定的参考价值。     

基于L系统的植物叶脉模拟的研究

近年来，随着计算机软硬件技术水平的不断提高，虚拟植物的研究得到了迅猛的发展。为此，针对网状叶脉的特征，以大豆为例，研究了其自相似性。在可视化模拟过程中，设计了描述网状叶脉形态的L系统，并使其在采自真实叶片的轮廓内生长，解决了传统的叶脉模拟方法中的叶缘不吻合问题，基本实现了对网状叶脉的较为形象的模拟。     

基于L系统的大豆根系模拟研究

随着虚拟植物研究的不断深入,对于虚拟植物研究的重点也从地上部分转入地下部分.根系是植物最重要的器官之一,在植物整个生长发育、生理功能和物质代谢中发挥着重要作用,因此对植物根系进行虚拟研究具有重要意义.为此,以大豆为例,通过对大豆根系形态及生长特点的分析,探讨了使用L系统进行大豆根系虚拟建模的方法,并在Visual C 环境下进行了算法实现.     

基于参数曲线的虚拟植物形态控制方

提出一种利用L系统建立植物拓扑结构原型,利用规则曲线、三次样条曲线、B样条曲线对植物参数进行控制的虚拟植物形态控制方法,以达到直观虚拟植物控制形态的目的.重点分析了参数曲线与植物参数的关系,建立了植物长度类参数、角度类参数、颜色类参数与参数曲线的关联模型.试验表明,该方法简单直观,生成的图形真实感强,适用于虚拟植物的模拟研究.     

基于分形几何的植物模拟研究

分形几何是以非规则物体为研究对象的几何学,分形与计算机图形学结合起来,可以展示其无穷递归的复杂结构,从而实现对自然景物的逼真模拟。L系统文法是分形几何学的一个重要研究方法,它着重研究植物形态与生长的描述,将L系统文法与计算机图形学结合起来,为计算机模拟植物生长提供了一个有力的工具。为此,首先对分形几何及L系统文法进行了简要介绍,详细阐述了利用L系统文法对常见的小草以及灌木丛建模的生成规则,在VC++6.0环境下用字符串替换算法对小草及灌木丛进行了模拟,并通过连续改变分形草的内部参数,模拟小草在风中摇摆的效果形成摇曳的小草,从而产生动画效果,有较强的逼真感。     

大豆叶片形态模拟模型建立方法的研究

叶片是大豆的重要器官之一,对大豆叶片结构模型的研究,有助于对大豆叶片功能的研究.为此,从大豆叶片轮廓的提取方法和模拟模型的建立方法两个方面进行讨论,提出了大豆叶片进行数字化处理的基本方法,应用L系统,成功地建立了大豆叶片结构模拟模型,解决了大豆生长模拟模型建立过程中的一个关键问题,对大豆植株模型的建立有着重要的指导意义.     

基于L系统的小麦根系可视化模拟研究

对小麦根系生长特征及模拟理论基础进行了分析,设计小麦生长实验,分析试验数据得到小麦根系生长的数学模型;对L系统进行了三维解释,通过观察分析小麦根系构型特征给出其三维L系统规则,同时考虑了根系生长过程中的随机因素.结合生长方程和L系统规则,以VC 6.0为平台,采用OPENGL开发,借助图形学知识实现了小麦根系生长的三维可视化模拟,利用这种方法可以很好地模拟小麦根系连续生长情况.     

基于构造体系的植物生长定量化研究

通过分析植物的形态生理特性，从植物形态结构的构造体系出发，着重对植物的拓扑结构及其节间、叶片等器官形态变化进行了定量描述，并提出了一种虚拟植物模型构建方法。通过实例可视化验证，表明该模型能有效地模拟植物的生长发育过程。     

盆栽番茄根系三维生长模型构建与实现

为探明负压地下灌溉条件下的盆栽番茄根系分布规律,通过试验测定不同生长时期的盆栽番茄根系三维空间坐标和生长参数.统计分析所测试验数据,明确了番茄各级根长生长函数、分根点分布及其侧生概率和侧生方向.基于番茄根系拓扑结构和实际生长规律,提出利用微分L系统构建番茄根系三维生长模型以描述盆栽番茄根系生长规律及其边界条件.文中以所构建的盆栽番茄根系三维生长模型为算法基础,利用OpenGL技术实现盆栽番茄根系三维生长可视化模拟系统,直观地再现了负压地下灌溉条件下盆栽番茄根系在不同生长时期的空间分布和生长情况.通过与试验数据对比分析,对于幼苗期的盆栽番茄根系分布平均模拟拟合度约为83%,而对于结果期的根系分布平均模拟拟合度约为91%.因此所建模型能够有效模拟盆栽番茄的根系生长情况.基于微分L系统的盆栽番茄根系三维生长模型可以表达不同生长时期番茄根系的形态特征和生长规律,为进一步研究土壤水分与根系生长的互作用奠定基础.     

基于L系统的大豆根系模型构建及可视化

深入分析了大豆根系形态特征与生长特性,根据大豆根系生长呈S形曲线的特点,基于逻辑斯蒂方程对采集的根系数据进行了回归分析,获取大豆根系的生长方程。根据大豆根系形态结构具有自相似性特点,设计了大豆根系L系统,并在VC++环境下利用OpenGL技术实现了大豆根系拓扑结构模型的构建及可视化模拟。