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基于器官变形的植物生长建模研究

许允催  
【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。


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