基于L-系统的植物分支模式研究

作     者：岳晓琳 

作者单位：山东师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王化雨

授予年度：2014年

学科分类：08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 

主      题：L-系统 B样条曲线 植物分支模式 随机参数 

摘      要：植物作为人类不可或缺生存环境的之一，与人类的生活密切相关。随着虚拟技术与仿真技术的研究与发展，虚拟植物建模已成为研究的热点。虚拟植物模型是由植物学、生态学、农学、应用数学、计算机图形学等多种学科交叉发展起来的。虚拟植物模型构建的步骤主要有三步：一是，模拟植株的拓扑结构，得到植株上各类器官的个数和位置;二是，各类器官的几何形态以及各自的空间取向;三是，对植株进行可视化模拟，即可视化系统的实现。 植物分支是植物形态的标志之一。不同的植物，其分支生长不同，则分支的形态不同。对植物分支形态的模拟，就是对植物基本骨架的模拟，是虚拟植物模拟的基础。定量化研究植物的生长规律，能够预测不同生长环境下植物的某些综合指标，比如：作物的产量，器官的生物量、数量等。虚拟植物模型其参数复杂，对计算机性能要求较高，在与植物形态结构相关领域的应用方面更具优势，在精确农业、园林设计等众多领域具有广阔的应用前景。 从植物分类学的角度来讲，植物分为草本植物和木本植株，它们的分支形态多种多样，一般有枝干之间的分支(一般用这种分枝来表示)、枝与叶之间的分支以及叶与叶之间的分支，为了从植物形态学的一个总体角度来描述，本文统一采用这个分支。 不论是草本植物还是木本植物，它们的分支方式主要有四种，即单轴模式、合轴模式、终结模式和多足模式，本文主要针对木本植物的单轴模式和合轴模式来研究。本文主要工作是：分析并总结木本植物的合轴模式以及单轴模式特征，并根据它们各自的特征提取出控制植物分支的参数，我们还引入随机变量，这样可使生成的树木分支个数随机化，随机数以及参数值的不同可以生成不同形态的树木。在对单轴模式模拟时，我们结合B样条表达方法，来生成弯曲的枝干，最终我们对各个模式的树木进行编程实现，开发出能实现单轴与合轴树的模拟系统。 具体工作如下： 1.利用参数L-系统实现了对合轴模式树木分支的模拟 通过对自然界中的植物观察，我们总结出合轴树的分支特征，我们还提取出控制合轴分支属性的属性的参数，并结合参数L-系统原理，构造了用以表达合轴分支的参数L-系统，这样用户通过改变参数值就可以控制生成树的形状，在此基础上引入随机变量，使生成的树的分支个数随机产生。 2.构造了单轴L-系统并实现了枝干弯曲 通过对自然界中的植物观察，我们总结出单轴树的分支特征，根据其分支特征，构造了用以表达单轴分支树的L-系统，结合B样条理论以及其平滑、凸包、局部可控等的特性，实现了枝干的弯曲形态模拟。 3.编写了实验模拟程序 开发了用以实现合轴与单轴的简单的模拟系统，实现了参数控制、分支个数的随机产生、以及枝条弯曲处理。设计了用户界面，方便用户操作，用户可以通过选择不同的参数组或者改变每组中的参数值，来控制产生树的形状，实现了不同植物形态的模拟，以及枝干的弯曲模拟，取得了很好的实验效果。 本文研究在构造植物分支形态的一般性模型方面取得了一定进展，有力的推动了植物模拟技术的应用和发展。