基于Web的虚拟植物可视化系统及虚拟植物构建方法技术方案

本发明专利技术请求保护虚拟植物可视化系统及方法，涉及计算机网络和数据分布式存储技术，本发明专利技术针对现有虚拟植物可视化系统不支持分布式和共享等缺陷，提出了一种基于Ｗｅｂ的虚拟植物可视化系统。生理数据通过网页远程获取并存入网络服务器的数据库中；进行三维模型建模，通过ｗｅｂ应用程序将器官３Ｄ模型提交给网络服务器并保存到器官库中；用户依据数据库中的生理数据、器官模型和Ｌ－系统所需的文法信息，通过Ｗｅｂ应用程序创建虚拟植物不同生命周期的数据并保存在虚拟植物库中；浏览器插件通过访问远程服务器上的虚拟植物库实现生长过程的３Ｄ演示。实现了虚拟植物库和器官库在网络上的共享，完成了植物专家和计算机专家的知识共享和相互协作。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及计算机技术，植物仿真技术，尤其涉及计算机网络和数据 分布式存储技术。
技术介绍
虚拟植物生长是指在计算机上形象直观地再现植物的生长过程。利用 虚拟植物技术，可以在电脑屏幕上设计农作物，然后再进行实际培育或用 基因工程技术繁殖出真实的农作物，使其新品种具有模拟植物的理想性 状。虚拟植物的研究起源于1968年美国生物学家Lindenmayer(1925-1989) 在生物杂志发表了 "Mathematical Models for Cell Interactions in Development"的论文，首次提出了 "字符重写系统(String rewritting system)"的概念，为了纪念这位生物学家，称为L系统，主要研究植物 的器官(主干，枝条，叶，花)等之间的相互关系。带参数的L系统定义为一个有序四元组G^「，S，"，"，其中，「表示系 统中的字母集；2表示形式参数集，^Z)表示一个带参数的逻辑表达 式，^2)表示一个带参数的算术表达式。在这些表达式中可以使用算术运 算符如+、 -、 *、八—，关系运算符，如 >、〉=、〈、 <=、==，和逻辑运算符，如！、 &&、 ll和括号()，表达式中还可以包含函数调用； 表示非空参数单词，称为公理，其中R是实数集合； ;^(Kx2T)xC(2:)x("Ea:)T表示规则集合。改写规则的格式如下 /7^/:c。m/4^cc其中pm/表示前趋，cow/表示条件，^cc表示后继，例 如.爿0):O5 — 5" + l)C(^0.5,卜2)。对于L系统本身来说，如上所示只是一种形式化语言。经过产生式迭 代产生的结果也只是一系列的字符串，其本身并不具备任何几何意义。为 此，科学家引入一种称为"龟形几何"(Turtle Geometry)的数学知识概念，通过对字符串进行龟形解释即可生成一系列复杂的图形。二维情况4下，乌龟的当前状态可用一个三元组〈x,y,"〉表示，其中(x,y)表示乌龟的当 前位置，"表示乌龟的朝向(Heading)即乌龟的爬行方向，每次响应动作 后该状态都会改变。本系统采用的龟图命令如下RU, RR， RH为方向符号(RH为生长方向，即龟的朝向)，分别表示绕5，反，S旋转(如图l)， 带一个参数，表旋转的角度，顺时针为正,逆时针为负；''为分 枝符号，即遇到'['时龟图将压栈保存当前的状态，遇到。'时将弹栈 恢复上次压栈信息，以实现植物的分枝；其它字符可分为两类临时变量和器官变量，其中临时变量为产生式的中间迭代信号量，未绑定任何器官 信息，没有几何意义，而器官变量则有器官绑定信息，表示特定器官，有 几何意义。如虚拟植物所得字符串为ACE，其中A， B， C， D， E均绑定为线器官，则经过龟形几何解释后其三维渲染结果如图 2。从A出发，遇到''，弹出栈信息(即分枝完毕)，回到画A后的龟状态；遇到C，在A后画一直线；遇到'['，将画C后的龟信息压栈；遇到'RU(-45)，，将龟绕5轴旋转-45度，遇到D，按旋转后的龟5方向画一直线；遇到T，弹出栈信息(即分枝完 毕)，回到画C后的龟状态；最后遇到'E'，在当前龟状态后往5方向画一直线。在获得植物生长过程中发生的形态结构以及生态生理变化等特性后，应用L系统建模方法对植物建立相应数学模型，通过编程平台综合运用各算法将植物生长几何信息转化为直观的图形信息，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。该系统能够较好地模拟植物的生长过程。例如唐卫东等基于0pen-L 系统的植物结构功能模型研究2007引入了Open-L系统建模理论，在植 物形态发生模型的基础上，根据植物生长时其形态与生理特性及环境之间的相互作用，构建了综合考虑植物结构与功能的虚拟植物模型，再根据该 模型有效组织了植物生长过程中的数据信息，并建立植物生长的可视化流程。例如L-studio加拿大Calgary大学，AMAP法国的系列软件， 以及GreenLab中科院自动化所等。现有系统没有引入数据库功能对数 据进行分门别类的存储管理，创建的植物器官三维模型也只能够用于一个 虚拟植物，无法重复使用创建的器官模型，也无法向其他用户提供共享； 所创建的虚拟植物只能以文件的方式共享给其他用户，当前系统的使用者 需要将保存了虚拟植物的文件传递给其他用户，如果大量异地用户对该文 件都有访问需求，这种方式显然无法胜任；其次现有系统在利用L系统展 示植物生长过程时没有保存不同生命周期的数据，如果需要重复展示必需 重新编译文法；最后采用现有技术构建的系统不能跨平台运行。
技术实现思路
本专利技术针对现有虚拟植物可视化系统的上述缺陷，提出了一种基于 Web的虚拟植物可视化系统。本专利技术解决上述技术问题的技术方案是，建 立基于Web的虚拟植物可视化系统，包括，植物生理数据和生长规则库、 虛拟植物器官数据库、虚拟植物数据库、提交植物生理数据web应用模 块、提交植物器官模型web应用模块、构造虚拟植物的web应用模块和虚拟 植物3D展示浏览器插件。客户端通过web浏览器的提交植物生理数据web应用模块以文字形式提 交植物生理数据，将上述文字形式的植物生理数据翻译成可编译的L文 法，保存在植物生理数据和生长规则库，客户端通过提交植物器官模型 web应用模块将器官3D模型保存到虚拟植物器官库中；根据生长规则和生 理环境数据库中的数据生成虚拟植物库所需的L系统产生式集合，采用L文 法字符串形式描述植物的属性构建虚拟植物库；根据虚拟植物库中植物模 型中L文法字符串、器官绑定信息CurBindlnfo及所需器官模型CurOrgModd 以龟图形式对其进行几何图形描述，实现植物从字符串到几何图形的三维 渲染展示，通过浏览器插件远程査看虚拟植物的生长过程。且可以单步或动画反复査看植物的不同周期的状态。各个web应用模块和浏览器插件通 过网络和标准接口访问网络服务器上的各类数据库，实现了数据的分布式共享。本专利技术还提出了一种基于Web的虚拟植物构建方法，具体包括步骤， 客户端通过提交植物生理数据web应用模块以文字形式提交植物生理数 据，将上述文字形式的植物生理数据翻译成可编译的L文法，保存在植物 生理数据和生长规则库中；提交植物器官模型web应用模块将器官3D模型 保存到虚拟植物器官库中；构造虚拟植物的web应用模块根据生长规则和 生理环境数据库中的数据生成虚拟植物库所需的L系统产生式集合，采用 字符形式描述植物的属性构建虚拟植物库；根据虚拟植物库中植物模型中 当前L文法字符串CurLStr、当前器官绑定信息CurBindlnfo及当前所需器官 模型CurOrgModd以龟图原理对其进行几何图形解释，实现植物从字符串 到几何图形的三维渲染展示，査看虚拟植物的生长过程。生成L系统产生式集合的步骤为根据生长规则和生理环境数据库的 OrganDesp字段依次把植物器官用字符串String类型的标识符代替，并保 存在String对象数组中；根据PlantAge字段定义植物寿命；AxiomDesp字 段定义公理，根据ReguD本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于Ｗｅｂ的虚拟植物可视化系统，包括：虚拟植物器官数据库、虚拟植物数据库、植物生理数据和生长规则库、提交植物生理数据ｗｅｂ应用模块、提交植物器官模型ｗｅｂ应用模块、构造虚拟植物的ｗｅｂ应用模块和虚拟植物３Ｄ展示浏览器插件，其特征在于，客户端通过ｗｅｂ浏览器的提交植物生理数据ｗｅｂ应用模块以文字形式提交植物生理数据，将上述文字形式的植物生理数据翻译成可编译的Ｌ文法，保存在植物生理数据和生长规则库，客户端通过提交植物器官模型ｗｅｂ应用模块将器官３Ｄ模型保存到虚拟植物器官库中；构造虚拟植物的ｗｅｂ应用模块根据生长规则和生理环境数据库中的数据生成虚拟植物库所需的Ｌ系统产生式集合，采用Ｌ文法字符串形式描述植物的属性构建虚拟植物库；根据虚拟植物库中植物模型中Ｌ文法字符串、器官绑定信息ＣｕｒＢｉｎｄＩｎｆｏ及所需器官模型ＣｕｒＯｒｇＭｏｄｅｌ以龟图形式对其进行几何图形描述，实现植物从字符串到几何图形的三维渲染展示，通过浏览器插件远程查看虚拟植物的生长过程。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：朱庆生，曾令秋，葛亮，刘骥，屈洪春，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：85[中国|重庆]