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基于素描L-系统的植物生长模型研究

蒋丽涛  
【摘要】: 分形理论是近些年来发展起来的一门新学科,主要用来描述自然界和非线性系统中不光滑和不规则的几何形体。植物作为自然界的重要组成部分,与人类的生存、发展息息相关。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。分形理论的引入,为植物的计算机模拟开辟了一条新的途径。随着分形理论的发展,分形植物模拟也已成为计算机仿真领域的重要课题。 目前,基于分形理论的植物模拟主要有分形几何建模法、参考轴技术、素描建模法以及图像造型法。其中,以着重描述植物形态结构见长的L-系统就是该领域诸多研究方法中的重点之一。它是由美国生物学家Lindenmayer于1968年在研究植物形态的进化与构造时提出的一种用以描述树木的方法,开始时只注重于植物的拓扑结构,即植物组件之间的相邻关系,后来才将几何解释加进描述过程,形成L-系统。1984年,Smith为模拟植物形态而将其首次引入计算机图形学领域,成为植物模拟的有效办法。 本文主要对确定L-系统、随机L-系统、参数L-系统、语义相关L-系统等作了系统的研究。在此基础上,作者根据植物结构的特点,对传统L-系统生成植物的方法进行了改进,并设计了一种基于勾画的树木建模方法,在素描交互式界面中实现侧枝模型形态与主干形态的统一,然后将改进的L-系统与素描的建模方法相结合,从而实现以交互、高效的方式控制植物生长模型的构造。同时,为了进一步实现植物的真实感绘制,作者利用分形递归算法构建三维树木模型,采用标准图形软件接口OpenGL和支持可视化编程的集成开发环境VC++6.0,加入纹理映射、光照、材质等技术,对上述建立好的植物模型进行三维可视化。 论文以植物外观形态的模拟为主要研究方向,探索研究如何利用少量的植物学知识对植物进行建模,从而达到真实反映植物生长形态特征的目的。


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