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基于l 一系统的植物三维可视化研究 摘要 虚拟植物( v i r t u a lp l a n t s ) 是利用虚拟现实( v i r t u a lr e a l i t y ) 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。随着虚 拟现实技术与互联网技术的逐渐结合，从小型的虚拟产品到大型的虚 拟建筑园区都在网上得到了很好的展示和应用，也促进了相关行业的 实际发展。尽管人们对网络虚拟植物也有同样的渴求，虚拟植物技术 却并未因此在互联网上得到很好的发展。 基于植物形态的分形特征，研究了l 系统方法用于模拟植物的 表达机制，对d o l 系统、随机0 l 系统、参数0 l 系统、语义相关 l 系统、o p e nl 系统等各种常用形式进行了比较系统的研究，分析 了它们各自的表达特点，为将l 系统方法用于模拟植物生长准备了 基础。 以网上在线应用为目标，选用v r m l 这种基于网络的虚拟现实 技术搭建虚拟场景。根据植物器官的不同外形，使用v r m l 的多个 造型节点对植株的各个部分进行了三维建模。并且对v r m l 的植物 三维建模进行了规律性的总结。 采用v r m l 和j a v a 技术并以w e b 页面作为运行平台，提供三维 可视化交互环境，并依据l 系统思想模拟植物生长的整个过程。从 技术上，描述了用户与场景节点间信息实时交互的实现过程，对外部 编程接1 5 1 方法与内部节点方法这两种常用方法进行了详细比较。 最后，对本文内容进行了总结，并对以后的研究工作进行了展望。 关键词：虚拟现实，l 系统，植物模型，三维可视化，j a v a ，v r m l ， 交互 浙江工业大学硕士学位论文 i 乏e s e a r c h0 nt h r e ed i m 匝s i o n a lv i s u a l i z a t i o n f o r r t u a lp l a n t sb a s e d o nl s y s t e m a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n t a lp r o c e s so fp l a n t si nat h r e e d i m e n s i o n a l ( 3 d ) s p a c ew a ss i m u l a t e do nt h ec o m p u t e rb yt h ev i r t u a lr e a l i t y , w ec a l l i t v i r t u a lp l a n t s ，w h i c hg e n e r a t e st h r e e d i m e n s i o n a la n dv i s i b l ec o m p u t e r m o d e lo fp l a n ti n d i v i d u a lo rg r o u p a l o n gw i t ht h eg r a d u a l l yi n t e g r a t i o n o fv i r t u a lr e a l i t yt e c h n o l o g ya n di n t e r n e tt e c h n o l o g y , l o t so fv i r t u a l o b j e c t s ，f r o ms m a l lp r o d u c t st ol a r g e - s c a l ec o n s t r u c t i o nz o n e s ，w e r e d i s p l a y e do n l i n e ，w h i c hp r o m o t e dt h ed e v e l o p m e n to fr e l a t e di n d u s t r i e s p r a c t i c a l l y v i r t u a lp l a n t st e c h n o l o g yi nt h ei n t e m e th a sn o tb e e nw e l l d e v e l o p e di ns p i t eo f t h es a m ee a r n e s t l ys e e k i n gf o rv i r t u a lp l a n t so n l i n e b yp e o p l e t h ee x p r e s s i o nm e c h a n i s mo fs i m u l a t i n gp l a n tb ya p p l y i n gl - s y s t e mw a sr e s e a r c h e do nt h eb a s i st h ef r a c t a lc h a r a c t e ro fp l a n ts h a p e t h o s eu s u a lf o r m so fl - s y s t e m ，s u c ha s d o l s y s t e m ，s t o c h a s t i c o l s y s t e m ，p a r a m e t r i c0 l - s y s t e m ，c o n t e x t - s e n s i t i v el - s y s t e ma n do p e n l - s y s t e m ，w e r ed i s c u s s e ds y s t e m a t i c a l l ya n dt h e i re x p r e s s i o nc h a r a c t e r w e r e a n a l y z e dr e s p e c t i v e l y , w h i c hp r e p a r e d as o l i db a s ef o rt h e a p p l i c a t i o no fl s y s t e mm e t h o dt os i m u l a t i n gp l a n tg r o w t h v r m li so n ew e b - b a s e dv i r t u a lr e a l i t yt e c h n o l o g ya n dw a sc h o s e n t ob u i l d3 dv i r t u a ls c e n e ，w h i c ha i m e dt oo n l i n es t u d yo fv i r t u a lp l a n t s a c c o r d i n gt od i f f e r e n ts h a p eo fp l a n to r g a n i z a t i o n ，t h i sp a p e rm a d e3 d m o d e l sf o rt h e mw i t hk i n d so fv r m l s h a p en o d e s ，a n dc a r r i e do nt h e r e g u l a rs u m m a r i e so f v r m l p l a n t sm o d e l i n g i no r d e rt op r o v i d et h e3 di n t e r a c t i v ev i s u a l i z a t i o ne n v i r o n m e n ta n d t os i m u l a t et h ee n t i r ep r o c e s so fv i r t u a lp l a n tg r o w t h ，v r m lt e c h n o l o g y i l 浙江工业大学硕士学位论文 a n dj a v at e c h n o l o g yw e r ea d o p t e d t h er u n n i n g p l a t f o r mw a sw - e bp a g e t h ei m p l e m e n t a t i o np r o c e s so fr e a l t i m ei n t e r a c t i o nb e t w e e nu s e ra n d s c e n en o d e sw a sd e p i c t e d ，a n dad e t a i l e dd i s c u s s i o nb e t w e e ne x t e m a l a u t h o r i n gi n t e r f a c ea n ds c r i p tn o d ew a sm a d e f i n a l l y , t h ep a p e r s u m m a r i e dc u r r e n t s t u d y r e s u l ta n da s e l f - e v a l u a t i o no ft h ew h o l ew o r k , a n dm a d eo u t l o o k so ft h e1 a t e r r e s e a r c h k e yw o r d s ：v i r t u a l r e a l i t y , l s y s t e m ，p l a n tm o d e l ， t h r e ed i m e n s i o n a l v i s u a l i z a t i o n ，j a v a , v i r t u a lr e a l i t ym o d e l i n gl a n g u a g e ，i n t e r a c t i o n i i i 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江 工业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的 法律责任。 作者签名： 历系墼日期：吖年f 月3 0 e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 作者签名： 导师签名： 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“4 ) 7 殇噫、坠 夸专 日期：彤年 月如日 日期：i ，子年j 月了de t 浙江工业大学硕士学位论文 第一章绪论 【摘要】本章阐述了论文的研究背景和意义，介绍了国内外虚拟植物可视化研究的现状和发 展概况。同时介绍了虚拟现实技术的发展、特点以及植物三维建模技术的概况，明确本论文 的研究内容。 1 1 研究背景与意义 l 研究背景 虚拟植物，是以虚拟现实技术为依托，利用计算机模拟植物在三维空间中的 生长发育状况。其主要特征是以植物个体或群体为研究对象，以植物的形态结构 为研究重点，建立三维模型，以可视化的方式反映植物的形态结构规律【卜3 1 。 随着计算机软硬件得以迅速发展，各种关于可视化模拟的理论和方法的提 出，为植物形态的可视化模拟开辟了广阔的道路。近年来，虚拟植物的研究正逐 步成为国内外农业研究的重点和热点。但由于植物种类繁多，形态各异，以及它 们结构的不规则性，给研究者提出很多难题。同时就当前的虚拟现实技术而言， 不规则形体建模也是一个难点。利用植物很强的形态结构特征，分形理论能较好 地解决不规则形态物体的仿真建模问题，尤其对草本植物、树类植物等自然景观 尤为适用。将分形理论和虚拟现实技术结合起来可以生成逼真、复杂的自然景物。 2 研究意义 虚拟植物技术的出现是一个全新的现代农业对传统农业的挑战，其意义在于 虚拟植物技术在省时、省力、省资源的基础上做到了对植物体从宏观到微观的更 纵深的研究，以及对植物知识的更广泛的传播和应用。虚拟植物模型在精确农业、 生态系统物能流空间规律研究、植物生长状况遥感监测、园林设计、虚拟教学等 众多领域具有广阔的应用前景【4 1 。建立虚拟植物模型具有很大的经济、社会和生 态效益【5 1 。 ( 1 ) 虚拟技术可以在短时间内模拟整株甚至整群植物的整个生命周期，不 必用很长的时间实地种植作物，节省了时间、人力、费用。如进行作物虚拟施肥、 果树虚拟剪枝、作物虚拟育种的株形分析与选择等。 ( 2 ) 在计算机上实现作物的动态生长过程，可以获得其各参数的动态数据， 浙江工业大学硕士学位论文 一改传统农业难于定量化研究的局面，为智能化农业和精细农业等提供了依据。 ( 3 ) 作物的三维结构可视化，为研究作物结构与生理生态的关系及为作物 株形设计等提供了方法和手段。 ( 4 ) 对农业推广和农业教学而言，开发虚拟农场可以实现网上种田，以便 更快速的掌握先进的农田管理技术和农业知识。 ( 5 ) 通过模拟害虫在作物群体中的藏匿和觅食规律，确定最佳的喷药方式 和时间，可以降低成本，减少环境污染。 1 2 国内外虚拟植物的研究现状 虚拟植物技术是由植物学、农学、生态学、数学、计算机图形学等诸多学科 交叉而迅速发展起来的一项技术，其在农业科研方面的应用已有三四十年的历 史，而且逐渐成为虚拟现实技术中的研究热点之一。虚拟植物技术的研究方向大 体分为植物生理生态过程的模拟和植物形态结构的模拟，其中以虚拟作物生理生 态模型的研究开始的较早。 1 9 6 5 年至1 9 7 0 年为作物模拟的开创时期。国际上最早的在计算机上模拟植物 群体生产过程的模型是d ew i t 研制成的玉米光合生产模型e l c r o s 和d u n c a n 等人 于1 9 6 7 发表的玉米叶面积与叶片角度对群体光合作用影响的模型。他们的开创性 工作在国际上产生了重大影响，掀起了计算机作物模拟的浪潮。 2 0 世纪7 0 年代，作物模拟在广度和深度上同时发展。一方面，美、荷、英、 澳、日等国家已研制成1 0 多种作物( 如棉花、小麦、马铃薯、大豆、甜菜、向日 葵等) 的模拟模型；另一方面，对一些重要作物生理过程定量化研究也日趋深入， 如t h o r n l e y 关于作物呼吸过程模拟的研究，c h a n t e r 于1 9 7 6 年关于生长曲线的概 括性研究。 8 0 年代，一些学者开始将植物形态结构模型和生理生态模型结合起来用以更 准确地模拟植物的生长过程。针对农业应用建立的模型通过对作物生理生态过程 的模拟，能够预测不同环境条件下作物生长的某些综合指标，如作物的产量、牧 草的生物量，叶面积指数动态，器官的生物量、数量等【岳7 】。到了8 0 年代中后期， 由于计算机的飞速发展和作物科学研究成果的深化与积累，国际上关于植物生理 生态的模型研究遍及了农业的各个领域，并向综合化与应用化方向发展。其重要 2 浙江工业大学硕士学位论文 标志是美国c e r e s 模型( c r o p e n v i r o n m e n t a lr e s o u r c es y n t h e s i s ) 的研制成功。 r i t h c i e 等人研制的c e r e s 系列覆盖了玉米、小麦、水稻、高粱、木薯、大豆、 花生、马铃薯等多种作物，不仅能模拟生理生长过程，还能模拟土壤养分平衡和 水分平衡。此外，较为成功的模型还有：s i m c o t 可以在不同的气候、土壤、播 期条件下模拟棉花地上部各器官的发生发展，并与专家系统相结合，帮助用户制 定棉田管理措施；e p i c ( e r o s i o n p r o d u c t i v i t yi m p a c tc a l c u l a t o r ) 模型可以 模拟土壤侵蚀对作物生产力的影响，并用于经济评价研究；s i c m ( s o y b e a i n t e g r a t e dc r o pm o d e l ) 大豆综合作物模型可以模拟天气、土壤水分、经济条件和 虫害对大豆作物生长发育的影响，并对灌溉、肥料、农药、土壤水分和劳力等成 本进行经济分析。荷兰在作物生长模拟方面的研究也十分活跃。从2 0 世纪6 0 至8 0 年代，w a g e n i n g e n 大学的科学家们先后研制成e l c r o s ( 初级作物生长模 拟器) ，b a c r o s ( 基本作物生长模拟器) ，s u c r o s ( 简单和通用作物生长模拟器) 。 此后，p e n n i n g d ev r i e s 等于19 8 9 年研制成a c r o s ( m o d u l e sf o ra n n u a lc r o p s h n u l a t i o n ) ，即一年生作物模拟模型。国内开发较成功的模型有高亮之的水稻钟 模型，戚昌翰的水稻生长日历模型r i c a m ，潘学标的棉花生长发育模拟模型 c o t g r o w ，以及夏北成开发的评价小麦产量病虫害损失的麦田生态系统模拟模 型。 2 0 世纪9 0 年代，研究人员开始将三维可视化技术用于虚拟植物的研究。以模 糊系统、遗传算法、人工神经网络为代表的人工智能方法的综合应用，使得植物 的仿真研究得到了进一步的发展。 揭示植物生长发育规律的植物生长模型十分复杂，其涉及到的参数很多。然 而，参数众多的植物生理生态模型是建立在对现实植物进行一系列简化的基础之 上的。例如，黄耀等人以作物、栽培技术、天气和土壤四个方面的因素为基本驱 动变量，对水稻茎蘖进行了动态模拟，所建立的模拟模型涉及到近3 0 个方程式 【8 】。且自身的复杂性也阻碍了植物生理生态模型的普及。 与植物生理生态过程的模拟相比，植物形态结构的模拟起步较晚。2 0 世纪 7 0 年代，b b m a n d e l b r o t 提出了“分形方法 ，这是一种纯图形学的虚拟植物建 模方法，可以用来研究自然界中具有自相似且没有特征长度的形状和现象。1 9 8 5 年，w i1 1i a m s 和h u t c h i n s o n 以分形方法为基础开创了迭代函数系统，即i f s 系 浙江工业大学硕士学位论文 统( i t e r a t e df u n c t i o ns y s t e m ) 。1 9 8 3 年r e e v e s 提出了粒子系统。1 9 6 8 年 l i n d e n m a y e r 提出了l 一系统，作为植物形态模拟的一般框架【9 1 。 此外，美国的c l a u s n i t z e r 和h o p m a n s 利用有限元的方法进行了三维根的生长 和瞬时土壤水流的模拟建模，并编程实现了模型。法国农业发展国际合作中心 ( c i r a d ) 研究出的a m a p ( a d v a n c e dm o d e l i n go fa r c h i t e c t u r eo fp l a n t ) 模 型是一种模拟植物生长的典型随机过程方法。a m a p 系统已成功地在计算机上构建 了多个种类的植物。o n y x 公司利用其开发的t r e ec l a s s i c 和t r e ep r o f e s s i o n a l 软件生成了具有二百多种常见植物的三维植物图形库。u s d a 研究机构基于棉花生 理生态的建模方法开发出了棉花生长过程管理专家系统。澳大利亚的研究机构 c e n t r ef o rp l a n ta r c h it e c t u r ei n f o r m a t ic s 基于l 系统建模方法开发了 v i r t u a lp l a n t s 软件，模拟棉花、大豆、玉米等农作物以及植物根系的生长，病 虫对植物生长的影响。加拿大c a l g a r y 大学【1 0 1 基于l 一系统建模方法和利用少量植 物学的知识开发出的c p f g ，l - s t u d i o ，v i r t u a ll a b o r a t o r y 能再现灭绝的树种， 并成功地应用于辅助景观设计和植物学教学。 虚拟植物生长的可视化研究在国内起步较晚，研究机构较少，主要有：中国 科学院自动化技术研究所与法国c i r a d 公司的a m a p 实验室联合合作研发机构，以 及中国农业大学等。前者侧重于可视化技术研究，后者侧重于植物模型研究。 中科院自动化所中法实验室从1 9 9 7 年开始进行了虚拟植物生长的合作研究。 其研究基础主要是基于a m a p 的虚拟植物生长方法，系统采用了参考轴技术和双尺 度自动机模型。a m a p 用于模拟植物生长软件主要有两部分核心的技术。第一部分 是如何表达植物各个器官的拓扑结构，植物器官在空间中定位的几何信息被储存 起来，它包含了植物生长原理、外界环境对植物生长的影响、植物之间竞争和互 利机制对植物群落生长的影响等方面【1 1 1 。 植物虚拟技术在生理生态和形态结构两个方向上的发展开始有相融合的趋 势。目前，将两者并行考虑的模型并不多见。作为模拟植物形态结构的l 一系统也 有开始考虑生理生态过程，并已取得一定成效。c i r a d 根据自己的建模思想，也 设计出综合形态和生理的虚拟作物，并做了相应的验证。 随着w e b 技术、面向对象编程技术等一系列软件开发技术的蓬勃发展，现 在许多研究者已经从软件开发的角度对虚拟植物模拟进行研究【1 2 。1 5 1 。研究人员通 4 浙江工业大学硕士学位论文 过构造抽象的类并操纵其内部的属性和方法，客观地描述事物的特性及事物之间 的关系，从而依照人们通常解决问题的方式来建立植物生长的模拟模型。关于植 物生长的软件开发已经取得了初步成果1 1 岳1 7 1 。 1 3 虚拟现实技术 计算机的诞生使虚拟现实称为可能，奠定了虚拟现实的发展基础。 虚拟现实( v i r t u a lr e a l i t y ，简称v r ) 技术是指利用计算机系统、虚拟现实 硬件和软件构成虚拟现实环境，通过多种虚拟现实交互设备使用户投身于该虚拟 现实环境中，并在该环境中直接与虚拟现实场景中的事物进行交互，产生身临其 境的感受【l s - 2 0 l 。 1 3 1v r 技术的发展 v r 技术的发展大致分为三个阶段：2 0 世纪5 0 - - , 7 0 年代，是v r 技术的探索 阶段：2 0 世纪8 0 年代初期到8 0 年代中期，是v r 技术从实验室走向系统化实 用阶段；2 0 世纪8 0 年代末期到2 1 世纪初，是v r 技术的高速发展阶段。 1 9 6 5 年美国科学家、计算机图形学的奠基人i v a ns u t h e d a n d 发表了名为“t h e u l t i m a t ed i s p l a y ”( 终极的显示) 的论文，首次提出了一种学说：观察者不是通 过屏幕窗口来观看计算机生成的虚拟世界，而是生成一种直接使观察者沉浸并能 互动的环境。这一理论后来被公认为是v r 技术领域新的里程碑，i v a ns u t h e r l a n d 被称为“虚拟现实技术 之父，从此人们正式开始了对虚拟现实系统的研究探索 历程。1 9 6 6 年，i v a ns u t h e r l a n d 在美国麻省理工学院的林肯实验室正式开始了头 盔式显示器( h m d ) 的研制工作。1 9 6 8 年，第一台h m d 的样机完成，不久研 制者又把能模拟力量和触觉的力反馈装置加入到这个系统中。1 9 7 0 年，出现了 第一个功能较齐全的h m d 系统。 2 0 世纪8 0 年代，美国国家航空航天局( n a s a ) 及美国国防部组织了一系 列有关v r 技术的研究，并取得了令人瞩目的研究成果，从而引起了人们对v r 技术的广泛关注。1 9 8 4 年，n a s aa m e s 研究中心虚拟行星探测实验室的 m m c g r e e v y 和j h u m p h r i e s 博士组织开发了用于火星探测的虚拟世界视觉显示 器，将火星探测器发回的数据输入计算机，为地面研究人员构造了火星表面的三 浙江工业大学硕士学位论文 维虚拟世界。在随后的虚拟交互世界工作站( v i e w ) 项目中，他们开发了通用 多传感个人仿真器和遥控设备。1 9 8 9 年，美国v p l 公司的创始人j a r o nl a n i e r 正式提出了“v r r t u a r e a l l i 锣 一词，使虚拟现实技术的研究进入了一个新的历史 阶段。 进入9 0 年代，迅速发展的计算机硬件技术与不断改进的计算机软件系统相 匹配，使得基于大型数据集合声音和图像的实时动画制作成为可能；人机交互系 统的设计不断创新，新颖实用的输入输出设备不断地涌入市场，而这些都为v r 技术的发展奠定了坚实的基础。1 9 9 3 年1 1 月，宇航员利用虚拟现实系统成功地 完成了从航天飞机的运输舱内取出新的望远镜面板的工作；波音公司用数百台计 算机组成网络，利用v r 技术设计波音7 7 7 也获得成功。1 9 9 6 年底，世界上第 一个虚拟现实环球网在英国正式运行，人们可以在现实网络和虚拟空间内邀游。 2 l 世纪初，虚拟现实技术获得了迅猛发展，虚拟现实技术处于多元化的发 展趋势，一方面虚拟现实技术借助于计算机技术、网络技术、多媒体技术等得到 了高速发展，如分布式虚拟现实系统( d i s ) 、c a dw a l l 、v rc e n t e r 、c a v e 、i d e s k 等新技术。另一方面，虚拟现实技术与专业技术相融合又产生了数字地球研究、 虚拟城市规划与设计、虚拟信息地理、虚拟旅游、虚拟机械装配、科学研究与可 视化、航空航天、军事模拟、工程应用、企业和电子商务、医学领域应用、农业 与气象应用、教育领域应用及娱乐游戏等研究方向，使虚拟现实技术成为2 1 世 纪崭新技术手段并得到了广泛的应用。 虚拟现实技术发展前景十分广阔，潜力巨大。多年来，美国、英国、德国、 日本开展了多项虚拟技术研究，成为虚拟现实技术研究领先的国家。我国虚拟现 实技术的研究刚刚起步，国内不少大学建立了虚拟技术研究实验室，有的研究成 果已经应用到实际工作中，引起一批学者和研究人员的兴趣。 1 3 2 v r 技术的特性及分类 虚拟现实技术特性主要体现在虚拟效果的沉浸感( i m m e r s i o n ) 、交互性 ( i n t e r a c t i o n ) 、想象性( i m a g i n a t i o n ) ，简称3 i 特性，以及网络功能、多媒体技 术、人工智能、计算机图形学、动态交互智能感知和程序驱动三维立体模型与场 景等。 6 浙江工业大学硕士学位论文 ( 1 ) 沉浸性是指用户进入三维虚拟空间后可以沉浸于虚拟世界中，有身临 其境的真实感受，非常逼真动人，在视觉、听觉、触觉甚至嗅觉、味觉上都有真 实的自然感知，此种真实感将使用户难以觉察、分辨出其自身正处于一个由计算 机生成的虚拟环境中。 ( 2 ) 交互性是指用户对虚拟现实场景中的物体的可操作程度及从虚拟环境 所得到的反馈的自然程度和实时性等。这种交互突破了传统的鼠标、键盘的交互 模式，要求形成人性化、自然的交互方式，如形体移动、形体变化、手指动作、 视点移动等，均可以产生相应交互，使周围场景的反应和现实生活中一样。实现 这种交互需要借助于v r 技术中的三维交互设备，如：立体眼镜、头盔式显示器、 数据手套，以及虚拟现实三维空间跟踪球等。 ( 3 ) 想象性是指在虚拟现实世界如何开发并寻找合适的场景和对象，以充 分发挥人类的想象力和创造力。用户在虚拟世界的多维信息空间中，以现实为基 础，依靠自身的感知和认知能力全方位地获取知识，发挥想象力，寻求对问题的 完美解决。 ( 4 ) 具有强大的网络功能，可以创建立体网页与网站。 ( 5 ) 具有多媒体功能，能够实现多媒体制作，将文字、语音、图像、影片 等融入三维立体场景，并合成声音、图像达到舞台影视效果。 ( 6 ) 创建三维立体造型和场景，实现更好的立体交互界面。 ( 7 ) 具有人工智能，这主要是利用v r m l 、x 3 d 等三维立体网络程序设计 语言的感知功能。利用感知传感器节点，来感受用户及造型之间的动态交互感觉。 ( 8 ) 动态交互智能感知，用户可以借助虚拟现实硬件设备或软件产品，直 接与虚拟现实场景中的物体、造型进行动态智能感知交互，用户会有身临其境的 真实感受。 ( 9 ) 利用程序驱动三维立体模型与场景，便于与各种程序设计语言、网页 程序进行交互，有着良好的程序交互性和接口，便于实现系统扩充、交互、上网 等功能。 虚拟现实技术分类模式分为以下几种【2 l j ：沉浸式虚拟现实技术模式、分布 式虚拟现实技术模式、桌面式虚拟现实技术模式，以及纯软件虚拟现实技术模式。 沉浸式虚拟现实技术模式，也称最佳虚拟现实技术模式，选用了完备先进 浙江工业大学硕士学位论文 的虚拟现实硬件设备和虚拟现实的软件技术支持。在虚拟现实硬件和软件方面投 资规模比较大，效果自然丰厚，适合于大中型企业使用。 分布式虚拟现实技术模式，是指基于网络虚拟环境，将位于不同物理位置的 多个用户或多个虚拟现实环境通过网络互连，并共享信息资源，使用户在虚拟现 实的网络空间更好地协调工作。这些人既可以在同一个地方工作，也可以在世界 各个不同的地方工作，彼此之间可以通过分布式虚拟网络系统联系在一起，共享 计算机资源。分布式虚拟现实环境，可以利用分布式计算机系统提供的强大计算 能力，又可以利用分布式本身特性，使人们真正感受到虚拟现实网络所带来的巨 大潜力。 桌面式虚拟现实技术模式，也称基本虚拟现实技术模式，使用最基本的虚拟 现实硬件与软件设备和技术，以达到一个虚拟现实技术的最基本的配置。特点是 投资较少，效率可观，属于经济型投资范围，适合于中小型企业投资使用。 纯软件虚拟现实技术模式，也称大众化模式，是在无虚拟现实硬件设备和接 口的前提下，利用传统的计算机、网络和虚拟现实软件环境实现的虚拟现实技术。 特点是投资最少，效果显著，属于民用范围，适合于个人、小集体开发使用。这 是既经济又实惠的一种虚拟现实的开发模式。 虚拟现实技术分类模式框图，如图1 1 所示。 沉浸式 1 分布式 ( 硬件和软件) l ( 网络) 虚拟现实i虚拟现实 桌面式 ( 基本) 虚拟现实 纯软件 ( 软件) 虚拟现实 计算机系统( 硬件和软件) 1 3 3 v r 系统的构成 图1 一l 虚拟现实技术分类模式框图 虚拟现实技术的发展普及要从最廉价的软件( 网络) 虚拟现实开始逐步过渡 到桌面式( 基本) 虚拟现实系统，然后，进一步发展为完善的沉浸式( 硬件和软 件) 虚拟现实。最终实现真正具有真实动态交互和感知的虚拟现实系统，实现人 类真实的视觉、听觉、触觉、嗅觉、漫游和移动物体等身临其境的感受。 一个典型虚拟现实系统包括： 浙江工业大学硕士学位论文 ( 1 ) 计算机系统 ( 2 ) 虚拟现实软件系统 ( 3 ) 虚拟现实硬件设备 ( 4 ) 计算机网络系统 ( 5 ) 人类活动 完整的计算机系统包括：计算机硬件设备、软件产品、多媒体设备，以及网 络设施。可以是一台大型计算机、工作站或p c 个人计算机。 虚拟现实软件系统以传统计算机为依托，以虚拟现实软件为基础，构造出大 众化的虚拟现实三维立体场景，可实现虚拟现实硬件零投入，即只需投入软件产 品，同样可以达到虚拟现实的动态交互效果。虚拟现实软件的典型代表有v r m l 、 x 3 d 、j a v a3 d 、o p e n g l 、v e g a 等软件产品。 虚拟现实硬件设备主要包括三维立体眼镜、数据手套、数据头盔、力反馈器、 数据衣服，以及各种动态交互传感器设备等。 目前，虚拟现实技术的开发系统包括n a s av p l 公司的r b 2 ；s e n s e 8 公司 的w o r l d t o o l k i t ；a u t o d e s k 公司的c d k ；d i v i s i o n 公司的d v s 等【2 2 1 。 1 4 虚拟植物三维建模技术 以植物为对象的计算机模型有很多形式，根据植物生长模型与可视化仿真的 应用背景不同，可以归结为两大类模型：以非农林业应用为背景的模型和以农林 业应用为背景的模型。两者在建模原理和仿真结果的真实性要求方面有着很大的 差异。前者追求视觉效果的真实性，主要包括形态发展模型和可视化模型，基本 不涉及植物的生理生态模型：后者基于植物学，模型必须建立在植物的生理生态 原理之上。 另外，根据模型通过计算机提供给用户和显示方式不同，有三类模型：纯图 形学模型，植物动态结构模型和植物静态结构模型；这三类模型是现今虚拟植物 的主流建模方式，以这三类模型为基础的虚拟植物模拟系统会得到更为准确、真 实地效果。 为了使计算机能精确地再现植物的生长过程，需要用到3 d 建模技术及相关 9 浙江工业大学硕士学位论文 的编程技术。目前，较为广泛使用的3 d 实现语言有o p e n g l ，d i r e c t 3 d ，j a v a3 d 和v r m l ，它们可以方便地实现对3 d 模型的建造，实现各种交互操作【2 3 1 。这四 种实现方法提供的基本图形操作技术大致包括：物体绘制技术；变换技术； 着色技术；光照模型技术；反走样：混合技术，即半透明和透明的处理 技术；雾化技术；纹理映射技术；交互操作和动画技术。 由于四种技术产生环境的不同，所以在工作机理和应用的范围上有所差别。 其中，o p e n g l 是s g i 公司开发的三维图形库，是第一个在计算机领域广泛使用 的三维函数库，广泛应用于三维应用程序的编制。许多三维动画软件( 如3 d s m a x ) 、三维游戏软件、c a d 软件和三维可视化软件都是基于o p e n g l 开发的。 d i r e c t 3 d 是m i c r o s o f t 公司开发的三维函数库，它是d i r e c t x 多媒体编程环境的 一个重要组成部分，主要用于游戏软件的编制，特别为网络浏览器提供了多媒体 支持。o p e n g l 和d i r e e t 3 d 属于低级或较低级的三维函数库，适用于开发复杂三 维模型的软件。而j a v a3 d 结合了j a v a 语言的特点1 2 4 之6 1 ，充分利用面向对象的思 想，就可以快速编写出复杂的三维应用程序。j a v a3 d 还可以嵌入在网页中运行， 不仅移植性好，而且具有较高的安全性。v r m l 是一种模型描述语言，只要按 照v r m l 规范标准，不需要较高的技术就可以方便地构建三维场景，特别适用 于w e b 上场景的构建。正是这些原因，文中选择v r m l 作为植物三维模型的构 建工具。 已有的植物三维算法大都采用v c + + 结合o p e n g l 实现，缺点：算法较复杂， 交互性差，而且由于植物形态具有多样性和复杂性，实现难度较大，阻碍着分形 植物在现实中的应用与普及【2 7 1 。 1 5 论文主要研究内容 论文用v r m l 建模语言构建的植物各个组成部分的三维造型，按l 系统的 思想方法在v r m l 场景中模拟植物生长过程，并动态控制该过程，以呈现生动 逼真的植物可视化效果。论文的主要内容包括： 第一章介绍了虚拟植物的研究背景、研究意义及国内外的研究现状，并分析 了实现虚拟植物的虚拟现实技术与三维建模技术。 1 0 浙江工业大学硕士学位论文 第二章是以分形理论为基础，系统地研究了各种常见的l 系统形式，并详 细描述了l 系统可以用于描述植物形态拓扑结构的理论依据。 第三章研究了基于v r m l 的植物器官模型的构建。利用v r m l 语言中各类 不同节点，分别构建植物的根、茎、叶、果实等组织的三维模型。并总结了用 v r m l 构建植物模型的一般规律。 第四章是对用户与虚拟场景之间实时交互的深入探讨，重点分析了两种不同 交互方法各自的实现过程，并从使用场合、计算速度等方面进行了详细比较。同 时在v r m l 中引入l 系统的思想，根据提供的l 系统来模拟植物的三维可视化 效果。 第五章对本文所做的工作进行了全面总结，并分析了后续研究的工作内容。 浙江工业大学硕士学位论文 第二章植物的可视化理论 【摘要】l 系统作为分形的重要表达方法之一，本章对其各种常用的形式进行了系统的研究， 分析了它们在表达植物结构方面的特点，并讲解了l 一系统在三维空间的扩展，以更好地把 握它们在模拟植物生长研究中的应用。最后，阐述了l 一系统的表达机制适用于分析植物拓 扑结构的理论依据。 2 1分形理论 分形理论适于解决不规则形态物体的建模仿真问题。 两千多年来，经典的欧氏几何学一直是人们认识和描述自然界事物形状的有 力工具。这种几何学所描绘的都是由直线或曲线、平面或曲面、平直体或曲体所 构成的各种几何形状，它们是现实世界中事物形状的高度简单抽象。 然而，经典几何学所能准确描述的只是那些具有光滑性即可微性，至少是分 段分片光滑的规则形体。自然界里实际存在的几何形体除了这一类之外，还有另 一类形体：它们是不规则的、不光滑的、不可微的，甚至是不连续的。例如，蜿 蜒起伏的山脉，曲折凸凹的海岸线，枝干纵横的树枝等等。对于描述自然界中的 这一类复杂形体，经典几何学就显得无能为力了，必须寻求另一种新的方法。 2 0 世纪7 0 年代，法国数学家曼德尔布罗特( b b m a n d e l b r o o 提出了“分形 ( f i a c t a l ) 的概念，并且创立了“分形几何理论”，从而把数学研究扩展到了传统几 何学无法涉足的那些“病态曲线”和“几何学怪物 的领域，为描述自然界中那 些不是光滑规整的，而是粗糙扭曲的几何形体开辟了一条新的道路【2 剐。 2 1 1分形的基本概念 分形是人们在自然界和社会实践活动中所遇到的不规则事物的一种数学抽 象。人们对于分形的兴趣是由于可以用它来描述和解决一些实际问题，正如历史 上人们对于欧式几何与微积分的应用一样，这种描述和应用允许在一定尺度下的 近似性。同样，在利用分形来描述海岸线、云层的边界、地表的形状、岩石的裂 浙江工业大学硕士学位论文 缝、流体的湍流以及一些经济现象时，也具有一定意义下的近似性。正如曼德尔 布罗特所强调的那样，自然界的分形与数学中谈论的分形是有区别的。目前对什 么是分形还没有严格的数学定义，只能给出描述性的定义。粗略地说，分形是对 没有特征长度但具有一定意义下的自相似图形和结构的总称。这里特征长度是指 所考虑的集合对象所含有的各种长度的代表者，例如一个球，可用它的半径作为 它的特征长度1 2 9 1 。 同样，目前，判断分形与非分形，尚无确定的方法，国内外学者所采用的方 法大致有：( 1 ) 人工判定法；( 2 ) 相关系数检验法；( 3 ) 强化系数法；( 4 ) 拟合 误差法；( 5 ) 分维值误差法；( 6 ) 总体拟合法等【3 0 l 。归纳一下，分形集合应该 具有如下的几个特征【3 1 , 3 2 , 3 3 】： ( 1 ) 分形集合具有精细结构，即在任意小的比例尺度内包含整体。 ( 2 ) 分形集合是不规则的，以致于不能用传统的几何语言来描述它的局部 和整体。； ( 3 ) 分形集合通常具有某种自相似性，或许是近似的或许是统计意义下的。 ( 4 ) 分形集合在某种方式下定义的“分维数 通常都要大于它的拓扑维数。 ( 5 ) 分形集合的定义常常是非常简单的，大多数情况下，能够以简单的递 归方法来产生。 ( 1 ) ( 3 ) 两项说明分形在结构上的内在规律性。自相似性是分形的灵魂，它 使得分形的任何一个片段都包含了整个分形的信息。( 2 ) ( 4 ) 两项说明了分 形的复杂性，第( 5 ) 项则说明了分形的生成机制。 2 1 2 分形的生成方法 按照分形集生成的原理，生成分形的方法可以分为以下几种：( 1 ) 迭代函数 系统( i f s ) 法，( 2 ) 随机移动( r w ) 和受限扩散凝聚( d l a ) 法，( 3 ) 粒子系统法，( 4 ) l 一 系统法，等等【3 4 1 。 ( 1 ) 迭代函数系统( i f s ) 法 现在计算机上生成分形结构的方法越来越多，然而到目前，用一个数学系统 去研究构造一类存在于自然界的具有自相似性、标度不变性结构的分形，最为成 功的方法就是迭代函数系统i f s ( i t e r a t e df u n c t i o ns y s t e m ) ，它既包含了确定性过 浙江工业大学硕士学位论文 程，也包含随机过程。i f s 是以仿射变换为框架，根据几何对象的整体与局部具 有自相似的结构，将总体形状以一定的概率按不同的映射变换迭代下去，直至得 到满意的分形图形。 迭代函数系统是从一个坐标系到另一个坐标系的映射系统，其中的映射过程 包括仿射变换和收缩映射两类过程。 1 ) 仿射变换 仿射变换是一种实现几何变换的公式，它可以按比例放大或缩小图形，使图 形发生旋转或位移，有时甚至于使图形产生畸变。一个仿射变换国：r 2 一尺2 的 形式为： 缈( ；) = ( 三三 ( 匀+ ( ) 其中：口，b ，c ，d ，p ，f 均为实数，a ，b ，c ，d 称为仿射变换系数， p ，f 称为变换偏移量，而缈称为二维仿射变换。类似地，也存在三维仿射变换。 2 ) 收缩映射 设( x ，d ) 是一个距离空间，对于映射彩：x 专x ，若存在一个系数 s ( 0 s 1 ) ，使得对所有x ，y x ，均有下式成立： d ( o j ( x ) ，国( y ) ) s d ( x ，y ) ( 2 2 ) 则称缈为收缩映射，s 称为国的收缩因子。 3 ) 迭代函数系统 迭代函数系统是完备度量空间( x ，d ) 上的一组有限的收缩映射 缈。：x _ x ，”= 1 , 2 ，3 ，n ：每个收缩映射的收缩因子为晶。按照这种方法定 义的迭代函数系统( i f s ) 也常称为双曲的( h y p