一种交互式虚拟植物动态可视化方法技术

一种交互式虚拟植物动态可视化方法，包括以下步骤：(1)实验记录植物拓扑结构、几何形态；(2)拓扑结构的提取、器官形态库的建立：植物拓扑结构的参数化L系统描述；(3)参数化L系统的改进：改进的参数化L系统是在代表枝、茎、叶、果、花等植物器官的字符中，加入年龄参数，并在枝、茎、叶器官参数中加入表现外力作用的偏转角参数，使用角度的变化来表现植物在外界作用下形态变化；(4)通过用户输入的静态环境因素，根据预先的条件判定函数，计算出植物模型的形态参数；(5)动态可视化虚拟植物模型。本发明专利技术能有效提升动态交互性、具有良好实用性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及计算机图形技术，尤其是一种将计算机图形技术应用到植物在自然场景中的真实感模拟方法。
技术介绍
植物的生长离不开外界环境。温度、光照、水分、营养等不但影响到植物的产量、质量，还影响到植物的形态。不同生长环境下的植物生长，有不同的结构特征。根的向水性、日长对感光性植物开花期的影响等，说明外界环境对植物具有导向性。近年来的研究中，已开始将基于机理过程的生理生态模型与可视化植物模型结合起来。应用前者模拟生态环境和栽培措施对植物的生物量、器官形成与发育的影响；应用可视化模型模拟植物的形态结构、 冠层的微气象条件、对资源的获取等。二者结合后的模型以并行机制，将环境条件、植物形态结构与生理生态过程紧密结合起来，使模型具有结构与功能的反馈能力，更符合植物生长机制。该类模型虽然将植物和环境结合起来，但在可视化方面还主要是植株的生长形态变化，很少有加入外界环境因素与植株的实时动态交互。
技术实现思路
为了克服已有虚拟植物与自然环境因素的动态交互性差、实用性较差的不足，本专利技术提供一种有效提升动态交互性、具有良好实用性的交互式虚拟植物动态可视化方法。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是，所述可视化方法包括以下步骤(1)实验记录植物拓扑结构、几何形态，所述拓扑结构记录内容包括每个生长阶段能够长出的器官的种类、数量、位置和彼此之间的结构关系，所述几何形态记录内容包括器官的轮廓以及颜色、大小、角度，设定植物拓扑结构的记录周期；(2)拓扑结构的提取、器官形态库的建立将记录的植物拓扑结构用参数化的L系统进行描述，几何形态库通过使用计算机图形学技术，将记录的植物器官几何形态以计算机中三维可视化形态保存；(3)参数化L系统的改进改进的参数化L系统是在代表枝、茎、叶、果、花植物器官的字符中，加入年龄参数，并在枝、茎、叶器官参数中加入表现外力作用的偏转角参数，使用角度的变化来表现植物在外界作用下形态变化；(4)通过用户输入的静态环境因素，根据预先的条件判定函数，计算出植物模型的形态参数；(5)动态可视化虚拟植物模型模型通过对改进参数化L系统字符串的迭代以及各个器官的年龄参数不断的进行改变，并进行图形化的解释，从而实现虚拟植物的动态可视化。进一步，所述可视化方法还包括以下步骤(6)虚拟植物在实时环境因素的影响下，虚拟植物模型通过对改进的参数化L系统中的外力偏转角参数进行改变，从而使得虚拟植物可视化形态发生实时变化。再进一步，所述步骤(6)中，将植物主茎以及枝分为若干刚性节间，并将一端设为固定端，一端设为自由端，通过弹性杆偏转角度的计算公式，计算枝、茎、叶器官参数中各个刷新时间外力作用的偏转角参数。更进一步，所述步骤(6)中，对枝茎发生形变之后离开平衡位置，将节间未受外力作用时的自由端点作为平衡位置，在阻尼力的作用下，振幅逐渐减小，最终回到未受外力时的平衡位置。所述可视化方法还包括以下步骤(7)虚拟植物形态参数的输出虚拟植物在预定周期内停止形变，并输出该状态下的虚拟植物的形态参数。所述可视化方法还包括以下步骤(8)用户根据系统输出的形态参数，通过比较判定与真实情况下植物形态的差异，通过人机交互得到农业专家关于栽培措施的指导。本专利技术的技术构思为随着计算机软、硬件性能的提高，以及计算机图形学、图像处理、虚拟现实技术的发展，人们对虚拟植物的真实性要求也日益提高。单独的植株生长形态变化已不能满足场景绘制的需求，以虚拟植物为基础，建立植物与环境因子的交互模型， 使得虚拟植物的生长更加逼真，才是农业新技术的发展趋势。同时，通过利用计算机技术对真实植物信息与虚拟植物形态进行比较，并通过人机交互获得农业专家经验知识的指导， 指导植物栽培者科学合理的栽培植物，可以将栽培植物的经济效益最大化。弹性杆原理的应用是将植物主茎以及枝分为若干刚性节间，并将一端设为固定端，一端设为自由端，通过弹性杆偏转角度的计算公式，计算枝、茎、叶等器官参数中各个刷新时间外力作用的偏转角参数；阻尼振动的原理的应用是对枝茎发生形变之后离开平衡位置，将节间未受外力作用时的自由端点作为平衡位置，在阻尼力的作用下，振幅逐渐减小，最终回到未受外力时的平衡位置。本专利技术的有益效果主要表现在应用计算机图形学模拟出的植物在自然环境中的形态变化，可应用于虚拟植物计算机建模与可视化仿真，虚拟场景生成，影视特技与广告创意制作，三维动画制作以及植物生长规律研究。虚拟植物模型最终形态的输出，可以指导植物栽培者科学合理的栽培植物。附图说明图1是交互式虚拟植物动态可视化方法的流程图。 具体实施例方式下面结合附图对本专利技术作进一步描述。参照图1，，包括以下步骤(1)实验记录植物的拓扑结构、几何形态。对植物在不同环境下拓扑结构与几何形态的记录是建模虚拟植物模型的基础，拓扑结构记录内容如叶序，花序，器官的种类、数量、 位置和彼此之间的结构关系等，对器官几何形态记录内容以器官的轮廓以及颜色、大小、角度等。植物拓扑结构的记录周期为7天1次。(2)拓扑结构的提取、器官形态库的建立。参数化L系统是虚拟植物建模中一种常用的形态发生模型。将记录的植物拓扑结构用参数化的L系统进行描述，并存入计算机内存中。器官形态库通过使用计算机图形学技术，将记录的植物器官几何形态以计算机中三维可视化形态保存。(3)参数化L系统的改进。改进的参数化L系统是在代表枝、茎、叶、果、花等植物器官的字符中，加入年龄参数，并在枝、茎、叶器官参数中加入表现外力作用的偏转角参数， 使用角度的变化来表现植物在外界作用下形态变化当植物未受到环境因素或者人为影响，外力参数设置为0，不影响植物生长过程中的形态结构变化；当植物受到环境因素或者人为影响，外力参数根据材料力学中的弹性杆原理改变，引起偏转角度的变化，从而影响植物的形态变化，并在外力消失后，根据阻尼振动原理计算植物恢复到未受力情况时的恢复路径；(4)静态环境因素对植物生长影响的模拟。通过用户输入的静态环境因素，如积温，土壤成分因素，系统根据预先的条件判定函数，计算出植物模型的形态参数，如叶片总数、叶片总面积、株高等。(5)动态可视化虚拟植物模型。模型通过对改进参数化L系统字符串的迭代以及各个器官的年龄参数不断的进行改变，并进行图形化的解释，从而实现虚拟植物的动态可视化。(6)实时环境因素对虚拟植物的影响。虚拟植物在实时环境因素如风，雨等各种自然因子，或者人为因素如人为碰撞的影响下，虚拟植物模型通过对改进的参数化L系统中的外力参数进行改变，从而使得虚拟植物模型发生实时的形态变化。(7)虚拟植物形态参数的输出。虚拟植物在预定周期内停止形变，并输出该状态下的虚拟植物的形态参数，如株高，叶片总面积，果实数等。(8)栽培意见。用户根据输出的形态参数，比较判定与真实情况下植物的形态的差异，通过人机交互得到农业专家关于栽培措施的指导意见。权利要求1.，其特征在于所述可视化方法包括以下步骤(1)实验记录植物拓扑结构、几何形态，所述拓扑结构记录内容包括每个生长阶段能够长出的器官的种类、数量、位置和彼此之间的结构关系，所述几何形态记录内容包括器官的轮廓以及颜色、大小、角度，设定植物拓扑结构的记录周期；(2)拓扑结构的提取、器官形态库的建立将记录的植物拓扑结构用参数化的L系统进行描述，几何形态库通过使用计算机图形学技术，将记本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种交互式虚拟植物动态可视化方法，其特征在于：所述可视化方法包括以下步骤：（１）实验记录植物拓扑结构、几何形态，所述拓扑结构记录内容包括每个生长阶段能够长出的器官的种类、数量、位置和彼此之间的结构关系，所述几何形态记录内容包括器官的轮廓以及颜色、大小、角度，设定植物拓扑结构的记录周期；（２）拓扑结构的提取、器官形态库的建立：将记录的植物拓扑结构用参数化的Ｌ系统进行描述，几何形态库通过使用计算机图形学技术，将记录的植物器官几何形态以计算机中三维可视化形态保存；（３）参数化Ｌ系统的改进：改进的参数化Ｌ系统是在代表枝、茎、叶、果、花植物器官的字符中，加入年龄参数，并在枝、茎、叶器官参数中加入表现外力作用的偏转角参数，使用角度的变化来表现植物在外界作用下形态变化；（４）通过用户输入的静态环境因素，根据预先的条件判定函数，计算出植物模型的形态参数；（５）动态可视化虚拟植物模型：模型通过对改进参数化Ｌ系统字符串的迭代以及各个器官的年龄参数不断的进行改变，并进行图形化的解释，从而实现虚拟植物的动态可视化。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：丁维龙，金胡俊，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：86