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基于分形理论的植物模拟方法研究

武志峰  
【摘要】:分形理论是近二、三十年才发展起来的一门新的学科,主要描述自然界和非线性系统中不光滑和不规则的几何形体。自然界中种类繁多的植物虽然形态千差万别,却大都具有自我相似、自我繁殖的分形特征。近年来,随着分形理论的发展,分形植物模拟成为计算机仿真领域的重要课题。本文旨在从理论研究和应用软件两个方面对以分形理论为基础的植物模拟方法进行一些探讨和实践。 当前,基于分形理论的植物模拟方法主要有L-系统、迭代函数系统、受限扩散凝聚模型和粒子系统等。本文将自然界中比较有代表性的树木和类似树木的植物作为主要研究对象。在对四种主要分形植物模拟方法的模拟对象和算法特点进行分析对比后,选定以L-系统为主要研究起点,作者对基本L-系统作了三个方面的改进,在其三维可视化方面也作了一些探索。为了对植物各个部分进行细节控制,增强植物模拟的立体效果,作者针对基本L-系统模拟植物效果存在的一些缺点,在编程过程中引入了BSP算法,并将其与L-系统和分形递归算法相结合。通过对相关指标的实验对比,证明这是一种比较好的模拟植物结构形态的编程思路。 为了在编程过程中灵活地描绘和控制植物的各个器官,作者着眼模拟更多种类植物的形态,从真实植物生长机理和不同植物形态差异的角度考察,在为植物各部器官灵活建模的基础上,提取控制参数,并大量使用随机函数。同时,在编程中灵活运用GDI+中的各种绘图方法和画笔、画刷,使生成的植物模拟图形更加自然逼真。 作者采用VB.NET和GDI+编程,设计了基于SQL Server 2000参数数据库基础上的“植物形态动态模拟系统”,不仅能生成多种自然逼真、立体感较强的植物静态模拟图形,而且通过使用计时器技术,还实现了对植物的动态模拟控制。 论文最后,介绍了“植物形态动态模拟系统”的设计思路和主要功能模块。


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