（计算机软件与理论专业论文）基于资源影响的大规模植被实时生成研究.pdf

浙江i _ q k 大学硕士学位论文 基于资源影响的大规模植被实时生成研究 摘要 植被是地球上最复杂的生态系统，随着计算机图形学的发展，对植被生长建 立模型并对其进行可视化仿真已经成为虚拟现实领域的研究热点。由于植被中植 物的生长是一个非常复杂的过程，不仅受到物种自身的生理特性的影响，而且受 到各种自然资源条件的影响，比如水分，阳光、温度、光照条件等，对大规模植 被进行可视化需要考虑这些影响因素，同时选择合适的可视化技术，保证生成大 规模植被的质量和效率。 以往的研究中，虽然可以利用计算机图形学技术来生成大规模的植被，但是 这些研究往往只注重生成场景的视觉效果，缺乏实际的物理模型指导。而在生物 学领域，已经有大量的植物生长模型，这些模型的结果准确的反映了植被群落的 生长演化和分布，而通常这些模型在植被演化结果可视化方面实现得过于简单。 基于上述研究现状，本文的研究工作主要体现在三个方面：基于资源影响的 植被生长模型构建，大规模植被场景生成和实时可视化。在基于资源影响的植被 生长模型方面，对林窗模型的森林生长仿真建模方法进行分析研究，建立基于资 源影响下的植被生长演化模型并生成示意植被生长分布的植被控制图；在大规模 场景的生成方面，引入计算机图形学中的可控纹理合成技术，在上述植被控制图 的指导下合成大规模植被纹理；在实时可视化方面，在可编程图形硬件( g p u ) 上实现了生成大规模植被的可控纹理合成算法。结合上述三个研究点，本文的主 要研究内容包括以下几个方面： l 、本文在研究林窗模型的基础上，分析对植被群落生长产生影响的环境资源 因素，考虑植被中植物之间的竞争效应，建立基于资源影响的植被群落生长模型， 构建资源影响下的大规模植被场景控制图。 一t 一 浙江工业大学硕士学位论文 2 、在植被场景生成方面，本文引入了计算机图形学中的纹理合成技术，结合 植被控制图提出用于生成大规模植被的可控纹理合成算法，算法在合成时考虑了 实际植被生长演化情况，取得了较为真实的可视化效果。 3 、针对大规模植被场景在c p u 上合成速度较慢，难以达到实时的缺陷，本 文进一步在可编程图形硬件上实现了上述可控纹理合成算法，大大提高了纹理合 成的速度，实现了大规模植被场景的实时合成。 4 、设计并实现了大规模植被场景的可视化原型系统。通过对大规模植被场景 可视化的要求入手，对系统整体流程进行了设计，合理划分了系统各功能模块， 并实现了各模块的基本功能。 关键词：大规模植被景观生长模拟，植被可视化，林窗模型，可控纹理合成， 实时纹理合成 浙江工业大学硕士学位论文 r e s e a r c ho fr u n t i m es y n t h e s i s l a r g e s c a l ev e g e t a t i o nl a n d s c a p e b a s e do nt h er e s o u r c ei n t e r a c t i o n a b s t r a c t v e g e t a t i o ni st h em o s tc o m p l e xe c o s y s t e mo nt h ee a r t h 、析t l lt h ed e v e l o p m e n t o f c o m p u t e rg r a p h i c s ，t h ev e g e t a t i o ng r o w t hm o d e l i n g ，a sw e l la sv i s u a l i z a t i o na n d s i m u l a t i o nh a sb e c o m eah o t s p o ti nt h ef i e l do fc o m p u t e rs i m u l a t i o nr e s e a r c h p l a n t g r o w t hi nv e g e t a t i o ni s av e r yc o m p l e xp r o c e d u r e p l a n tg r o w t hi sa f f e c t e db yt h e p h y s i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fp l a n ts p e c i e s i ti s a l s oa f f e c t e db ye n v i r o n m e n ta n dt h e c o m p e t i t i o n sw i t l lo t h e rp l a n t sa r o u n d ，s u c ha sw a t e r , l i g h t , t e m p e r a t u r ea n do t h e r n u t r i e n t s a l t h o u g hw ec a ne m p l o yt e x t u r es y n t h e s i st e c h n i q u et op r o d u c el a r g e - s c a l e v e g e t a t i o nf r o mas m a l li n p u ts a m p l e ，t h es y n t h e s i z e dr e s u l tl a c k sp h y s i c a la c c u r a c y w h i c ho n l yf o c u s e so nv i s u a la p p e a r a n c e o nt h eo t h e rh a n d ，t h em o d e ld e v e l o p e di n b i o p h y s i c a la r e at os i m u l a t ev e g e t a t i o ne v o l u t i o np r o v i d e sm e a n i n g f u ld i s t r i b u t i o n r e s u l to fv e g e t a t i o n h o w e v e r , t h ev i s u a l i z a t i o no ft h e s em e a n i n gr c s u l t si ss i m p l ea n d p r e l i m i n a r y b a s e do nt h ea b o v er e s e a r c h _ ，t h i sr e s e a r c hw o r ki sm a i n l yf o c u s e do nt h r e ea s p e c t s ： v e g e t a t i o ng r o w t hm o d e lb a s e do n r e s o u r c ei n t e r a c t i o n , l a r g e s c a l ev e g e t a t i o nl a n d s c a p e v i s u a l i z a t i o na n dr u n t i m es y n t h e s i s i no r d e rt om o r ea c c u r a t e l ys i m u l a t et h el a r g e - s c a l e v e g e t a t i o nl a n d s c a p eb a s e do nt h er e s o u r c ei n t e r a c f i o n ，t h i sp a p e ra n a l y s e st h ef o r e s t g a pm o d e l ，a n dt h e n e x t e n d st h em o d e lt o v e g e t a t i o ng r o w t hs i m u l a t i o n , t h e e n v i r o n m e n tf a c t o r sa r em a p p e di n t ot h ep l a n tg r o w t hf u n c t i o n ，b u i l d st h ev e g e t a t i o n i i i 浙江工业大学硕士学位论文 d i s t r i b u t i o nc o n t r o lm a pa c c o r d i n gt ot h em o d e l t os o l v er u n t i m ev i s u a l i z a t i o no f v e g e t a t i o ng r o w t hm o d e l ，t h ep a p e ri m p o r t sr u n t i m ec o n t r o l l a b l et e x t u r es y n t h e s i s t e c h n o l o g y , t h ev i s u a l i z a t i o na n ds i m u l a t i o nw o r k sw e l lw i t l lq u a l i t ya n ds p e e d t h e f o l l o w i n gr e s p e c t sa r et h em a i n l yr e s e a r c h e so ft h i sp a p e r 1 a n a l y s i so ft h ee n v i r o n m e n t a lr e s o u r c e st h a ti n f l u c et h eg r o w t ho fv e g e t a t i o n c o m m u n i t y , t h i sp a p e rs t u d i e s o nt h eb a s i so ff o r e s tg a pm o d e l ，c o n s i d e r st h e c o m p e t i t i o ne f f e c t sb e t w e e np l a n t si nv e g e t a t i o n ，w es t a r tf r o mt h ep l a n tg r o w t hm o d e l f o rt h ee s t a b l i s h m e n to fv e g e t a t i o nc o m m u n i t yg r o w t hm o d e lu n d e rt h ei n f l u e n c eo f e n v i r o n m e n tr e s o u r c e s ，v e g e t a t i o nd i s t r i b u t i o ni sc a l c u l a t e da sag u i d e 2 i nt h ep a s t , l a r g e - s c a l ev e g e t a t i o nl a n d s c a p em o d e li sn o tw e l lv i s u a l i z e d ，t h i s p a p e ri n t r o d u c e st h ec o n t r o l l a b l et e x t u r es y n t h e s i st e c h n i q u ei nc o m p u t e rg r a p h i c s ，t o o b t a i nam o r er e a l i s t i cs i m u l a t i 0 1 1r e s u l t s 3 f o rt h es l o wd e f e c to fc o n t r o l l a b l et e x t u r es y n t h e s i s ，t h ep r o g r a m m a b l e g r a p h i c sh a r d w a r e ，g p ut e c h n o l o g yi si n t r o d u c e dt oe f f e c t i v e l yi m p r o v et h et e x t u r e s y n t h e s i ss p e e d , a c h i e v er e a l - t i m es y n t h e s i so fl & r g e - s c a l ev e g e t a t i o nl a n d s c a p e 4 f i n a l l y , t h i sp a p e rd e s i g n sa n di m p l e m e n t st h ep r o t o t y p es y s t e mo fr u n t i m e s y n t h e s i so fl a r g e s c a l ev e g e t a t i o nl a n d s c a p eb a s e do nt h er e s o u r c ei n t e r a c t i o n 、丽mt h e m o d e lr e f e r r e da b o v e k 呵w o r d s ：l a r g e s c a l ev e g e t a t i o nl a n d s c a p eg r o w t hs i m u l a t i o n ；v e g e t a t i o n v i s u a l i z a t i o n ；f o r e s tg a pm o d e l ；c o n t r o l l a b l et e x t u r es y n t h e s i s ；r u n t i m et e x t u r es y n t h e s i s i v 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：在 之膨日期：垆i 月衫日 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 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密咣 ( 请在以上相应方框内打“”) 日期： 日期： 年| 1 ，其珍e 1 年月衫日 浙江工业大学硕士学位论文 1 1 论文题目的来源 第1 章绪论 植被生态系统的模拟和可视化是一个涉及多学科的富有挑战性的课题【l 】。多年 来，对虚拟植物生长进行模拟和可视化吸引了国内外学者的广泛关注。从单纯的 进行植物形态结构的特征模拟，发展到对植物形态与功能相结合的动态生长过程 的模拟，以及大规模场景下的植被群落的生长和时空分布模拟和可视化。目前对 植被群落生长仿真研究较多的是将各种自然环境因素( 光照、温度、其他营养物质、 植物之间的竞争等) 融入植物生长模型，模拟植物的生长情况 1 2 】，通过植物与环境 交互的模拟方法来实现虚拟植物仿真，能够比较真实的反映植物的生长。 本文的工作建立在国家自然科学基金项目互利植物的群落结构特征模型及 可视化研究( 6 0 7 7 3 11 6 ) 的部分研究成果之上，文中第2 章和第4 章的单棵植物与 植被群落的建模技术参考了课题组的研究成果，通过对现有植被群落生长模型的 分析与比较，结合植被群落自身的特点，以林窗模型为基础，将林窗模型扩展到 植被群落的生长模型中，分析环境资源因素对植被群落生态系统的影响，将环境 因素映射到植物的生长方程中，同时考虑植物的生长和死亡，建立起植被群落共 享环境资源时相互作用的生长模型和植被演化模型，计算得到环境资源影响下的 植被控制图。为了对大规模植被生长演化结果进行实时可视化，本文引入计算机 图形学中的可控纹理合成技术，用计算得到的植被控制图指导植被的合成效果， 从而生成能够较为准确地反映植被的生长和演化情况的合成结果。为了对大规模 植被的合成实现实时可视化，本文进一步将可控纹理合成算法映射到g p u 上，基 于可编程图形硬件的强大并行计算能力实现大规模植被的实时可视化。 浙江工业大学硕士学位论文 1 2 论文的研究意义 虚拟植物的生长是当前虚拟现实领域的研究热点。随着计算机图形学和硬件 技术的不断发展，结合可视化技术对植物生长、死亡等生命活动进行动态仿真已 经成为当前虚拟植物生长的热点课题 2 , 3 a 1 。然而，植被群落的构成关系比较复杂， 对其进行真实的模拟和可视化是一项具有挑战性的工作。植被群落总是处于一定 的环境之中，研究大规模植被场景的可视化需要结合环境资源对植物生长的影响， 并考虑周围植物的相互影响作用，建立基于资源影响的植被生长和演化模型，以 此来推测植物的生长和死亡。因此，把植物物种自身的特性以及各种外部因素融 入到虚拟植物生长的数学模型中，将会有助于更真实有效的仿真植物生长过程中 的各种生命现象。 2 0 0 2 年，卡尔加里大学的l a n e 等人在l s y s t e m 的基础上，提出了m u l t i s e t l s y s t e m ，模拟了植被群落的分布和可视化瞄1 。m u l t i s e tl s y s t e m 使用一个字符串 集合来表示植被群落，对字符串集合中的字符串进行增加或删除操作来表示植被 群落中植物的动态更新和死亡，而每个字符串的状态则表现了每棵植物的生长， 通过这种字符串集合的变化来模拟植被群落的动态变化过程。在m u l t i s e tl s y s t e m 的基础上，l a n e 考虑植物的自疏机制和演替更新等生命现象，实现植被群落的空 间分布，并做了简单的可视化f 5 1 。这种模拟方法能够产生比较逼真的自然景象，但 是该方法忽略了植物的生长环境，对植物生长建立的模型比较简单，可视化结果 缺乏实际意义。g - r e c n l a b 模型1 6 】从植物生长的机理出发，结合植物生长的结构模 型和功能模型，不但能表示植物的拓朴结构，也能表示植物的生理过程，是目前 在植物仿真中研究较多的一种模型。但是对g r e e n l a b 模型的研究目前主要集中在 农业生产领域，在植被生长等领域的研究还不多见，尚有许多问题需要解决。林 窗模型是目前森林生态学研究中，最为活跃的模型之一。其是一种森林动态演替 模型 7 1 ，主要通过模拟森林中单棵树木的生长、更新和死亡等方式来实现森林的动 态演化过程。当前林窗模型的发展很快，产生了几种与林窗模型相结合的演替模 型，如林窗模型b k p f 、林窗模型f o r o a k 、林窗模型n e w c o p 和森林演替系统 模型g f s m 等。 一2 一 浙江工业大学硕士学位论文 可以看到在生物学领域，模拟植被演化的模型发展很快，这些植被演化模型 提供了准确的植被分布结果，然而，这些模型在可视化方面却做得非常简单和粗 糙，甚至有些模型仅停留在生物学研究阶段，还没有做相应的可视化分析。 另一方面，在计算机图形学领域，研究者们致力于改进图形绘制技术的速度、 质量及绘制能力，在大规模场景的快速逼真生成上，提出了一些非常有用的技术， 如层次细节技术、b i l l b o a r d 技术和纹理合成技术等。然而现有的这些研究中大规 模场景生成基本上仅从计算机图形学绘制的角度出发，注重可视化的视觉效果， 没有考虑到真实植物生长模型的指导，可视化结果缺乏实际意义。 为此，本文从资源影响下的植被群落生长模型出发，考虑环境资源对植物的 影响，以及植物和植物之间的相互关系，并根据植物生长、成熟、繁殖、死亡的 规律来动态预测植物的分布，建立资源影响下的植物生长模型和植被演化模型， 并通过这些模型来计算构建植被控制图，同时结合可控纹理实时合成技术来对大 规模植被场景进行可视化模拟。 计算机纹理合成技术是近几年迅速发展起来的一种新的纹理拼接技术，它从 图形学绘制的角度出发，基于给定的小块纹理，生成大块相似而连续的纹理，能 有效克服传统纹理映射方法产生纹理接缝和扭曲的缺点，而成为近年来计算机图 形学、计算机视觉和虚拟现实等领域的研究热点，纹理合成技术在图像编辑、数 据压缩、网络数据的快速传输、大规模场景的生成以及真实感和非真实感绘制等 方面具有广泛的应用前景。例如，我们可以利用纹理合成技术可以解决大规模场 景一些类似纹理的几何细节的生成问题。通常这些细节难以用具体的数学模型实 现，即使能用数学模型实现出来，也会导致在存储、变换和控制方面巨大的时间 和空间开销。纹理合成是解决这类问题的有效途径，利用纹理合成技术可以实时 生成大规模的场景8 ，9 1 ，如l e f e b v r e 和h o p p e 在文献 8 】中利用纹理合成技术对大规 模地形进行了实时的纹理合成。本文我们采用可控纹理实时合成技术，用计算得 到的植被控制图指导植被的合成效果，既保证了合成植被场景的可视化质量，同 时基于可编程图形硬件的强大并行计算能力实现了大规模植被场景的实时可视 化。 浙江工业大学硕士学位论文 综上所述，本文的研究工作致力于构建基于资源影响的大规模植被场景实时 生成可视化系统，可视化结果能够较真实地的反映在共享资源条件下植被的生长 和演化情况，从而为植被经营、城市规划、农林生产等提供良好的决策和支持。 1 3 论文的研究内容 本文我们将构建基于资源影响的大规模植被场景实时可视化系统，主要从基 于资源影响的植被生长模型、大规模植被场景可视化和实时可视化三个方面入手， 着重讨论了在环境资源影响下的大规模植被群落生态系统的生长建模及可视化研 究。具体来讲，本文的研究内容主要有以下几个方面： ( 1 ) 设计资源影响下的大规模植被场景实时可视化系统，合理划分系统模块 为环境参数初始化模块、植物生长模拟模块、植被演化模块、生成植被控制图模 块和大规模植被场景可视化模块，并设计了系统的流程，为本文的工作展开奠定 了基础。 ( 2 ) 在研究单棵植物建模技术和植被群落演化模型的基础上，结合具体环境 资源因素和植物之间的竞争效应，建立了基于环境资源影响的植被群落生长模型， 其中包括植物生长模型和植被演化模型。同时结合相关实际数据构建了植被控制 图。 ( 3 ) 通过研究计算机图形学中的可控纹理合成技术，在w e i 等人多分辨率合 成算法的基础上，实现了基于植被控制图的可控纹理合成算法，将其应用于大规 模植被场景的可视化仿真，使可视化结果更加符合真实的植被分布情况。 ( 4 ) 由于基于c p u 的可控纹理合成算法在合成大规模的植被场景时速度非 常慢，为此本文结合可编程图形硬件技术实现了基于g p u 的实时可控纹理合成算 法，在保证纹理合成质量的同时，实现了大规模植被场景的实时生成。 1 4 论文的组织结构 论文的章节安排如下： 浙江工业大学硕士学位论文 第一章、绪论。介绍了论文的研究背景、论文题目的来源以及本文的研究意 义；进而阐述了本文的研究内容。 第二章、国内外相关研究与现状。从植物个体和植被群落两方面对相关的建 模方法进行了分析，并分析了各自的优缺点。最后还对本文采用的可视化技术纹 理合成技术的相关研究进行了分析介绍。 第三章、大规模植被景观可视化系统设计。从系统设计目标出发，对系统流 程及各功能模块进行了介绍，为本文工作开展奠定了基础。 第四章、构建基于植被演化模型的植被控制图。以林窗模型为基础，建立了 包括植物生长模型和植被演化模型的植被群落生长模型，并在模型的基础上构建 了植被控制图。 第五章、可控纹理实时合成。通过对纹理合成基本方法的阐述，针对本文的 问题进行分析，引入可控纹理合成技术作为本文的可视化技术，接着开发了自己 的可控纹理合成算法，讨论了算法采用的搜索方法和加速技术，分析其存在的不 足。针对算法效率低下的缺点，引入可控纹理实时合成技术和可编程图形硬件g p u 技术，通过g p u 的并行计算，达到了大规模植被场景的实时生成。 第六章、实验结果与讨论。介绍了系统的开发环境和本文实现的原型系统， 给出了系统的可视化结果，并对相关的纹理合成算法的效率进行了分析和讨论。 第七章、总结与展望。归纳总结了全文的主要研究成果和论文的创新点，并 对迸一步的工作重点和研究方向做了展望。 浙江工业大学硕士学位论文 第2 章国内外相关研究与现状 本文的工作涉及到植物生长建模和纹理合成可视化技术两方面的研究工作， 为此下面将从这两方面来介绍国内外的相关研究现状。在植物生长建模领域，由 于植物群落的仿真建模需要在植物个体和群体两个层次上展开，建模工作包括植 物个体仿真建模和植被群落仿真建模。本章2 1 节和2 2 节将分别介绍植物个体建 模和植被群落建模的典型代表。本章的2 3 节对本文采用的可视化技术纹理合成技 术的发展和相关研究现状进行了介绍，并对典型的纹理合成算法进行分析，指出 了当前纹理合成技术的发展方向。 2 1 单棵植物建模技术 2 1 1 l 系统 美国科学家l i n d e n m a y e r 于1 9 6 8 年提出了l 系统( l s y s t e m ) ，其是一种基于分 形理论的描述植物形态与生长过程的方法【3 】。l 系统通过形式化的语言来描述植物 的各个器官( 主干、节点、根、叶子、果实等) 特殊的拓扑结构，然后通过迭代的方 式实现植物生长。早期关于l 系统的研究只重视植物的拓扑结构，经过研究者们 的不懈努力，l 系统不断的向结构和功能兼顾的方向发展，已成为植物生长仿真领 域最常用的建模方法之一 1 0 , l l 】。 d o l 系统是早期的l 系统，它是一种确定型的上下文无关语言。“d ”表示确 定性的( d e t e r m i n i s t i c ) ，“0 表示上下文无关的( o - - c o n t e x t ) ，l 表示l 系统 ( l s y s t e m ) 。对l 系统的研究，主要是为了表示各种不同的植物生长模型，并对现 一6 一 塑兰圭! ! 壅兰堡主堂垡堡墨 实世界中各种不同形态的植物进行真实的模拟。d o l 系统具有非常严格的迭代过 程，其只能生成摁则的分形图形，保持完全的自相似结构i “”。 除d o l 系统外，还有上下文相关的l 系统、时变l 系统、随机l 系统、参数 化的l 系统、开放式l 系统和微分l 系统等。 下面是一些l 系统的仿真效果图。- ”。 黔峨匿 ( a ) 参数化l 系统f 2 】( b ) 开放式l 系统洲 ( c ) 微分l 系统【1 目 图 1l 系统仿真效果图 2 12 扩散有限凝聚模型 由美国埃克森公司的w i n 曲和s a n d e r 提出的扩散有限凝聚模型( d l a 】，是用 来模拟某些结晶体的结构的【l q 。在扩散有限凝聚模型中，粒子处于无规则的运动 状态之中，其一次一个的从某- - # f 部区域中释放出来，当它与生长着的凝聚体发 生碰撞时，就被凝聚体吸附起来，从而完成整个凝聚体的生长过程。 图2 - 2 所示的是利用扩散有限凝聚模型绘制的植物生长模型刚。 图2 - 2d l a 模型绘制的植物生长 浙江工业大学硕士学位论文 2 1 3 粒子系统 1 9 8 3 年，美国科学家r e e v e s 提出了“粒子系统( p a r t i c a ls y s t e m ) ”0 6 1 可以很 好的描绘火焰、云、山、水等自然界中不规则模糊景物，其基本思想是用大量的、 具有一定生命的粒子图元来构造物体的空间和时间上的发生形态。每个粒子都具 有随机的颜色、大小、形状、透明度、运动速度和运动方向等属性，并随着时间 的推移这些属性发生变化。起始时，这些粒子的每个属性均由一组预先定义的随 机过程来说明，在系统内，每个粒子通过经历产生、变化、移动和死亡等过程， 这样粒子系统的模型就是由某一时刻所有存活粒子组成的集合构成的。在这之后， r e e v e s 于1 9 8 5 年又提出了一种结构化的粒子系统，对树木、草地等模糊的随机景 观现象实现了成功的模拟1 1 7 1 。 图2 3 所示的是用粒子系统实现的植物根系仿真效果】。 2 1 4 特征提取方法 图2 2 粒予系统仿真的植物根系 基于特征提取的建模方法的特点是忠实于植物的形态特征，其也是一种应用 广泛的虚拟植物仿真方法。j u l e sb l o o m e n t h a l 对树木骨架应用内插植的样条曲线方 式来连接三维空间中的点阵来生成；对于树叶则使用三角多边形结构的表面贴图 来模拟：在植物组织拓扑结构的基础上，对植物枝干使用分支圆柱来描述；此外， 文中还对植物的树皮、根系等细节作了建模和仿真，并最终实现了对枫树树种的 植物物理建模和可视化【2 1 1 。 图2 - 4 所示为j u l e s 在文中建立的枫树物种的植物模型效果图【2 1 1 。 一8 一 浙江工业大学硕士学位论文 21 5f o n 模型系统 图2 4j 牯模拟的枫树物种的植物模型 2 0 0 0 年。由b 盯g e r 提出f o n ( f i e i do f n c i g h b o r h o o d ) 模型系统是一种描述植物 生长的新理论l 。f o n 模型系统可以用来描述环境资源竞争中，植物的出生、生 长、更新、死亡等生命活动和演替规律，其忠实于植物的功能性特征。f o n 模型 用一个影响周来描述植物的受环境影响的区域在虚拟大规模场景时具有较高的 实时性渲染能力。a l s w e 扩”等人基于f o n 模型利用w a n g 删船方法实现了植物 竞争的模拟和可视化。 2 2 植被群落演化模型 2 21 m u l f i s e t l - s y s t e m 2 0 0 2 年，卡尔加里大学的l a n e 等人在l - s y s r 廿n 的基础上，提出了m u l t i s e t l s y s 把m ，对植被群落进行了分布模拟和可视化田。m u l 缸tl 5 y s t e m 使用一个字 符串集合来表示植被群落，对字符串集台中的字符串进行增加或删除操作来表示 植被群落中植物的动态更新和死亡，而每个字符串的状态则表现了每棵植物的生 长，通过这种字符串集合的变化来模拟植被群落的动态变化过程。在m u l t i s c t l - s y s t e m 的基础上，l a m e 考虑植物的自疏机制和演替更新等生命现象，实现植被 浙江工业大学硕士学位论文 群落的空间分布，并做了简单的可视化”。这种模拟方法能够产生比较逼真的自然 景象，但是该方法忽略了植物的生长环境，对植物生长建立的模型比较简单，可 视化结果缺乏实际意义。 图2 = 5 所示的是以m u l t i s e tl - s y s t e m 为基础的植被场景可视化效果图嘲。 2 22g r e e n l a b 模型 图2 - 5m u l t l s c tl s y s t e m 植被可视化效果图 g r 甘n l a b 模型 6 1 从植物生长的机理出发，结合植物生长的结构模型和功能模 型，不但能表示植物的拓朴结构，也能表示植物的生理过程，是目前在植物仿真 中研究较多的一种模型。但是对g - r e e n l a b 模型的研究目前主要集中在农业生产领 域，在植被生长等领域的研究还不多见尚有许多问题需要解决。 g r e e n l a b 模型旧的基础是植物构件自动机和s o t a c e - s i n km o d e l ，它是由中法 联合实验室皿l a m a ) 、中国农业大学( c a i j ) 、法国国际农业研究发展中心( c m a d ) 和法国国家信息自动化研究所( 1 n i u a ) 共同合作研究开发的一个通用的植物生长 模型。与以往模型不同，g r e e n l a b 模型不但能表示植物的拓扑结构，也能表示植 物的生理过程，是一种植物生长的功能一结构模型( f t m a i o m l - s m u r t u r a l m o d e l ) 6 掣, 2 5 j 6 棚l 。c , r e e n l a b 模型以参考轴技术为基础进行开发继承了参考轴技 术韵特点，以注重植物学知识为基础并且进一步对植物形态结构的数学形式化 浙江工业大学硕士学位论文 描述做了增强，同时对一些生态生理过程诸如水分利用效率与净同化产物的关系、 器官的形成与有效积温的关系等又综合了一些宏观规律。 在对植物的建模方面，g r e e n l a b 采用了由赵星等人提出的双尺度自动机技术。 双尺度自动机技术是基于马尔可夫链模型的建模技术，对植物的生长机理从微观 状态和宏观状态的双尺度层面上进行了模拟1 2 6 j 。c n e e n l a b 模型基于双尺度自动机 技术，使用植物结构发展相对应的时间为步长，通过递归计算植物形态结构的动 态变化和植物对环境的响应来对植物进行动态建模。 国内的严红平等人在g r e e n l a b 模型的基础上，提出了子结构( s u b s t r u c t u r e ) 的 概念，并且在树木复杂结构的快速计算和简化表示上成功的应用了子结构技术 2 7 1 。 中国科学院自动化研究所的康孟真等人对子结构技术进行了实际应用，结合芽的 随机性特性与树木子结构表示的影响关系进行了研究口引。 图2 - 6 所示的是国内的展志刚等人研究的基于g r e e n l a b 模型模拟的虚拟玉米 生长的效果图1 。 2 2 3 林窗模型 图2 - 6c n e e n l a b 模型模拟的玉米生长效果图 林窗模型由b o t k i n 等人建立，是目前森林生态学研究中，最为活跃的模型之 一【2 9 1 。该模型主要通过模拟森林中单棵树木的生长、更新和死亡等方式来实现森 林的动态演化过程。当前林窗模型的发展很快，产生了几种与林窗模型相结合的 浙江工业大学硬士学位论文 演替模型，如林窗模型b k p f 、林窗模型f o r o a k 、林窗模型n e w c o p 和森林演 替系统模型g f s m 等o ”“。 林窗模型是一种森林演替模型f 3 0 j ”，它基于所处环境各树种的生长、更新和 死亡等来重现整个森林的演化过程。其首先计算树木在最优状态下的生长情况， 然后树木的生长根据所处环境资源条件的限制而减少，从而模拟整个森林的变化。 林窗模型中以模拟的林窗为对象，并假设环境赉源条件处于均匀分布。森林 中的树木间通过资源间接竞争进行相互影响，树木个体的生长和死亡状况取决于 林木自身对所处林窗环境的适应状况。由上述分析可以得到，环境资源条件从两 方面来影响树木的成长：一方面来自于林窗中的其他树木对目的树术生长的影响。 这个影响因素如果进行定量化则可以表示为林窗中树木的密度分布状况；第二方 面来自于非生物因素的影响，这个影响因素主要由光照、温度和其他营养物质状 况等组成。 图2 7 所示的是基于林窗模型进行森林演化的效果图p ”。 图2 - 7 林窗模型森韩演化效果国 相对于单棵植物的建模技术来说，由于植被群落构成的复杂性，植被群落模 型的研究现状相对少一些，但是这方面的研究对于虚拟植物的仿真更加具有实际 浙江工业大学硕士学位论文 的意义，可以指导农林建设，植被经营管理等，因此现在的研究也更加偏向于对 植被群落模型方面的研究。 2 3 纹理合成技术研究 现实世界中存在着各种各样的纹理，计算机纹理合成技术是近几年迅速发展 起来的一种新的纹理拼接技术，它从图形学绘制的角度出发，基于给定的小块纹 理，生成大块相似而连续的纹理，能有效克服传统纹理映射方法产生纹理接缝和 扭曲的缺点，而成为近年来计算机图形学、计算机视觉和虚拟现实等领域的研究 热点，纹理合成技术在图像编辑、数据压缩、网络数据的快速传输、大规模场景 的生成以及真实感和非真实感绘制等方面具有广泛的应用前景。根据文献，我们 可以通过纹理映射、过程纹理合成和基于样图的纹理合成这三种技术来实现纹理 合成【3 2 1 。 纹理映射( t e x t u r em a p p i n g ) 的方法在绘制大规模复杂三维场景时运用得最广， 尤其对于描述具有真实感的物体，纹理映射可以方便的制作出极具真实感的图形 而不必花过多时间来考虑物体的表面细节，是真实感图像处理的一个重要部分。 过程纹理合成( p r o c e d u r et e x t u r es y n t h e s i s ) 是早期使用的纹理合成方法【3 9 】。以 物理建模的方式，通过对物体生成过程的仿真直接在曲面上生成纹理，从而避免 了纹理映射带来的失真现象。过程纹理合成技术直接通过对物理生成过程的建模 在曲面上生成纹理，这种纹理生成方法可以获得非常逼真的纹理，但对于任意一 种新的纹理，该方法都需要参数调整和反复测试，对于有的纹理甚至无法得到有 效的参数，过程纹理合成主要应用在随机分布特性比较强的纹理上，这种纹理生 成方法计算量巨大，效率低下，纹理生成非常不便。 基于样图的纹理合成( t e x t u r es y n t h e s i sf r o ms a m p l e s 技术通过给定的小块纹 理的基础上，结合一定的方法，生成大块在视觉上相似而连续的纹理，这种方法 可以克服传统纹理映射方法的缺点，又避免了过程纹理合成调整参数的繁琐，同 时基于样图的纹理合成技术可以表现几何模型无法体现的纹理细节。基于样图的 纹理合成技术近几年来发展迅速，几乎每年的s i g g r a p h 会议上都有这方面的文 一1 3 浙江工业大学硕士学位论文 章出现，渐渐成为纹理合成技术领域发展的主流方向，我们所说的纹理合成通常 就是指基于样图的纹理合成。到目前为止已有很多的基于样图的纹理合成方法 3 3 , 3 4 , 3 5 , 3 6 , 3 8 , 4 0 , 4 1 ，4 2 , 4 3 , 4 4 , 5 7 1 ，这些方法根据所采用的统计模型可以分为两大类：参数化 的纹理合成方法3 3 和非参数化的纹理合成方法酬。 2 3 1 参数化纹理合成方法 参数化纹理合成方法是较早发展起来的纹理合成方法，这种纹理合成方法基 于样本纹理图像为待合成的目标纹理构造一个参数化的模型，主要使用统计模型 的方式来分析样本纹理，然后根据分析所得的结果基于在样本图中匹配相关特征 信息的方法来生成目标纹理。 1 9 9 5 年，d a v i dh e e g e r l 3 3 1 等人在基于图像金字塔的纹理分析和合成一文中最 早提出了基于统计信息的纹理合成算法。在论文中，他们通过对输入样本纹理图 像建立图像金字塔的方式来进行特征信息的提取和转换。在纹理合成过程中，以 源图像金字塔为基础，通过迭代匹配源图像金字塔与目标图像金字塔的颜色直方 图来合成建立目标金子塔，然后利用构造的目标金字塔，把目标金字塔图像转换 为目标纹理图像，实现了基于统计颜色直方图的纹理合成，该算法以图像金字塔 作为算法结构，是目前很多纹理合成算法的基础。 2 0 0 0 年，p o r t i l l a 等人提出了一个到目前为止最好的纹理统计参数模型【3 刀。在 文中，他们先对输入的样本纹理图像进行复小波分解，然后计算出基函数在相邻 空间位置、方向和尺度下的统计系数对所反映的统计特征，算法通过迭代投射来 匹配这些系数对之间的联合统计特性，以此来合成最后的目标纹理。与h e e g e r 方 法不同，p o r t i l l a 的方法还对纹理的不同方向和尺度之间的重要关系进行了统计捕 获，对结构性的纹理图像具有较好的合成质量。 参数化的纹理合成方法基于参数统计模型，他们非常适合于对纹理图像进行 分析，但这种纹理合成方法通常只能合成随机纹理，适用的纹理范围有限，因此 产生了非参数化的纹理合成方法。 浙江i q k 大学硕士学位论文 2 3 2 非参数化纹理合成方法 相对于参数化纹理合成方法，非参数化纹理合成方法不需要采用参数统计模 型，而是直接对输入样图进行采样来合成纹理图像，能处理的纹理范围更广。 1 9 9 7 年，d eb o n e t 在图像金字塔基础上，率先提出了一种基于非参数采样的 纹理合成方法，从对输入纹理图像建立的多分辨率图像金字塔入手，按照从顶层 到底层的顺序进行合成，在搜索匹配候选像素点时考虑已经合成的上一层节点乃 至上几层节点【3 4 】。此方法对于结构信息比较强的纹理等没有很好的体现出来，甚 至会破坏纹理的结构，因此这种方法只适用于随机性比较强的纹理。 19 9 9 年，e f r o s 和l e u n g 提出的非参数采样的纹理合成【3 5 】一文对基于样图的 纹理合成做了一个成功的突破，使用基于m a r k o vr a n d o mf i e l d ( m i 心) 模型来进 行纹理合成，在这之后，基于样图的纹理合成开始转为在m r f 模型基础上的来研 究纹理合成。纹理具有稳定性的特征，也就是对于一个纹理图像，观察移动一个 小窗口，可以看到其中任意两小块都是相似的。纹理的这一特征适用于m r f 模型， m r f 模型需要纹理具有局部统计特征，这就是说纹理中的当前像素值可以完全由 其邻域像素决定。对于大多数的纹理图像，实验证明m r f 模型是一种比较好的逼 近模型，在这之后的许多算法都是基于m r f 模型完成的8 3 6 ，柏4 1 , 4 2 , 4 3 , 4 5 4 6 1 ，这些算 法均取得了比较好的合成结果。基于m r f 模型的纹理合成方法根据纹理合成时选 用基本单元的不同，可以分为两大类：基于像素的纹理合成和基于块的纹理合成。 两类算法所能处理的纹理不同，概括来说，基于像素的纹理合成从像素邻域匹配 入手，能够进行小的