（计算机软件与理论专业论文）融合环境影响因子的树叶渐衰可视化.pdf

d i s s e l t a t i o ns u b m i t t e dt oz h e j i a n gu n i v e r s i 够o f1 c h n o l o g y f o rt h ed e g r e eo fm a s t e r 、 t h ev i s u a l 娩a t i o no f a g i n g p r o c e s so fl e a v e s c o m b i n e dw i t he n v i r o n m e n t a lf a c t o r s c a n d i d a t e ：y - a n gk e f e n g a d v i s o r ：p r o f a nj i n g a s s o c i a t ep r o t a n gy i n g c o l l e g eo fc o m p u t e r s c i e n c ea n dt e c h n o i o g yo fz h e j i a n g u n i v e r s i 坶o f1 e c h n o l o g yun i v e r s l t v0 tle c n n o l 0 至w a p l 2 0 1 0 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： 栖科峰 日期：矽f d 年岁月州日 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 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密吼 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 日期洲6 年岁月砂日 日期：州p 年岁月样日 浙江工业大学硕+ 学位论文 融合环境影响因子的树叶渐衰可视化 摘要 随着计算机图形学的发展，对植物建立模型并动态地模拟植物生长、死亡等 生命活动已经成为虚拟现实和可视化领域的研究热点。由于植物的生长发育是一 个非常复杂的过程，它不仅取决于物种自身的生理特性，而且还受到光照、水分、 温度等自然因素的影响。如何采用可视化技术实现植物器官形态结构及生理结构 的生长变化过程仿真是计算机图形学领域中一个十分富于挑战性的课题。本文选 择树叶这个典型的植物器官作为研究对象，通过对树叶在自然环境影响下的几何 形态和纹理颜色变化的可视化，较为真实地模拟了树叶的枯萎、老化过程。 为了准确地展现虚拟植物叶片的渐衰过程，本文首先建立树叶的三维几何模 型；在已有叶片几何模型的基础上，引入质点一弹簧模型模拟树叶枯萎、老化的 几何形态变化，进一步，运用马尔可夫链模型模拟树叶在不同温度、水分环境下 的纹理颜色变化；最后，为了验证本文所用方法的有效性，设计开发出了树叶的 渐衰可视化系统，对树叶在不同环境参数条件下的生长状况进行模拟，通过直观 的可视化方式展示了树叶的老化、渐衰状况。因此，本文的研究内容主要包括以 下四方面： 1 、树叶的三维建模：在基于图像的树叶建模方法的基础上，采用基于交互 的关键点获取和带约束的d e l a u n a y 三角化算法，得到树叶的三角网格模型，实现 对树叶的建模。 2 、树叶的三维变形：考虑到植物叶片的物理生理特性及环境因素的作用， 采用基于质点一弹簧模型的变形算法，实现树叶在枯萎、老化过程中的几何形态 变化。 3 、渐衰过程中树叶纹理颜色的变换：本文采用基于马尔可夫链的状态转移 模拟树叶的渐衰过程，马尔可夫链的状态转移函数包含了影响树木生长的的两大 环境因子：温度和水分，从而实现在不同环境条件下树叶纹理颜色的变换。 浙江t 业大学硕十学位论文 4 、树叶渐衰可视化系统：本文最后设计开发了融合环境影响因子的树叶渐 衰可视化系统，用仿真结果来验证本文所采用方法的有效性。 关键词：虚拟植物生长，马尔可夫链，纹理映射，三维变形，质点一弹簧模 型，可视化 ， 浙江工业大学硕士学位论文 t h ev i s u a l i z a t l 0 n0 fa g i n gp r o c e ss0 f l e a v e sc o m b i n e dw i t he n v i r o n m e n t a l f a c t o r s a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e r 伊a p h i c s ，i t sb e c o m i n gi n c r e a s i n 酉yh o tt o c r e a t eam o d e lf o rap l a n ta n ds i m u l a t ei t sv i t a lm o v e m e n ti nad y n a m i cw a yi nt h e v i s u a lr e a l i t yf i e l d t h eg r o w t h0 fap l a i l ti sap r e t t yc o m p l e xp r o c e s s ，w h i c hi s a f c e c t e dn o to i l l yb yi t s p h y s i o l o g i c a lc h 锄c t e r i s t i c s ，b u ta l s ob yt h eh a b i t a t c o n d i t i o n sl i k es u n s h i n e ，w a t e r ，t e m p e r a t u r ee t c h o wt oi m p l e m e n tt h em o r p h o l o 舀c a l a n dp h y s i o l o g i c a ls t m c t u r eo fp l a n to 唱a n si nt h ew a yo fv i s u a l i z a t i o nh a sa l w a y s b e e nac h a l l e n 舀n gt a s ki i lt h ea r e ao fc o m p u t e r 黟印h i c s h lt h i sp 印e rw et a k ea t y p i c a lp l 锄to 玛a i l l e a v e sa st h er e s e a r c hs u b j e c t ，t h r o u 曲t h ev i s u a l l e a v e s g e o m e t r i c c o n f i g i l r a t i o n ，t e x t u r ec o l o rc h a n g e sw h i c h u n d e rt h ei n f l u e n c e0 fn a t u r a le n v i r o l m e n t ， t h u ss i m u l a t et h ea 垂n gp r o c e s so fl e a v e si nam o r ea c c u r a t ew a y i no r d e rt 0s h o wt h ea g i n gp f o c e s so fp l a l l tl e a v e si nam o r ea c c u r a t ew a y f i r s t ， b u i l dt h et l l r e e d i m e n s i o n a lg e o m e t r i cm o d e lo fl e a v e s ；b a s e do nt h eg e o m e t r i cm o d e l o fl e a v e s ，m a s s - s p r i n gm o d e l g o r i t h mi sa d 叩t e di l lt h ep r o c e s so fs i m u l a t i n gt h e g e o m e t r i cc o n f i g u r a t i o ni na g i n gp r o c e s s ，w h a t sm o r e ，m a r k o vc h a i nm o d e l i sa l s 0 i n t r o d u c e di nt h es i m u l a t i o no ft h ec h a i l g ei nt e x t u r ec 0 l o r0 fl e a v e su n d e rt h e d i 虢r e n tt e m p e r a t u r ea n dw a t e r ；a tl a s t ，i no r d e rt op m v et h ea c c u r a c yo ft h e a l g o r i t h mr a i s e di nt h i sa r t i c l e ，am o d e l o ft h e 铲0 w t ho fa p h o e n i x t r e el e a fi sc r e a t e d ， d u r i n gt h ee x p e r i m e n t sa i l do b s e a t i o n s ，t h ev i s u a ls y s t e mo fl e a v e sa g i n gp r o c e s s w a sd e s i g n e dt os i m u l a t et h e 伊0 w t hu n d e rd i 仃e r e n ts i t u a t i o n si i lai n t u i t i v ea n d v i s i b l ew a y t h u s ，t h em a i na s p e c t so ft h er e s e a r c ha r ea sf o l l o w s ： 1 t h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e l i n go fl e a v e s ：i i la d d i t i o nt ot h et r a d i t i o n a lw a y0 f m o d e l i n g ，i tu s e st h ea c q u i s i t i o no fk e yp o i n t sa n dd e l a u n a yt r i a n g u l a t i o na l g o r i t h m t og e tat r i a n 舀e 舀r dm o d e lo fl e a v e s ，t h u sc o m p l e t et h em o d e l i n go fl e a v e 2 t h r e e d i m e n s i o n a ld e f b n n a t i o no fl e a v e s ： c o n s i d e r i n g t h e p h y s i c s p h y s i o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h ep l a n ti t s e l fa n dt h ee n v i r o n m e n tf a c t o r s ，t a l 【e st h e 浙江一i ：业人学硕士学位论文 a l g o “t h m o ft h r e e - d i m e n s i o n a ld e f b 咖a t i o nb a s e d0 nt h em a s s - s p r i n g ， f i n a l l y i m p l e m e n tt h ec h a n g e0 fl e a v e s g e o m e t r i cc o n f i g u r a t i o nd u r i n gt h ea g i n gp r o c e s s 3 1 e x t u r ec o l o rc h a n g e sd u r i n gt h ea g i n gp - 0 c e s s ：i i lt h i sp a p e ri n0 r d e rt o s i m u l a t et h ea g i n gp r o c e s so fl e a v e s ，w eu s et h es t a t e t r a i l s i t i o np r o c e s so fm a r k o v l i n k t h ef u n c t i o n0 fs t a t e t r a n s i t i o np r o c e s so fm a r k o vl i n kc o n t a i n st w om a i nf a c t o r s ： t e m p e r a t u r ea n dw a t e r ，t h u sa c h i e v et h ep u r p o s eo fc h a n g e0 ft e x t u r ec o l o ru n d e r d i 仃e r e n tc o n d i t i o n s 4 s u a ls y s t e mo fl e a v e sa g i n gp f o c e s s ：a tt h ee n do ft h ep a p e ri st h ed e s i 印 a n dd e v e l o p m e mo ft h ev i s u a l s y s t e mo fl e a v e s a 酉n gp r o c e s sc o m b i n e dw i t h e n v i r o m n e n t a lf a c t o r sa l l dt h ep f o v i n go ft h ee f 琵c t i v e n e s so ft h em e t h o d k e yw o r d s ： v i s u a l g r o w t h o f p l a l l t s ， m a r k o v c h a i n ， t e x t u r e - m a p p i n g ， t h r e e - d i m e n s i o n a ld e f b m a t i o n ，m a s s s p r i n gm 0 d e l ，v i s u a l i z a t i o n 浙江下业人学硕士学位论文 第1 章绪论。 目录 1 1 论文研究背景、题目来源及研究意义。l 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 国外研究发展历程及现状2 1 2 2 国内研究历程及现状3 1 3 论文的研究目标和研究内容4 1 3 1 研究目标4 1 3 2 研究内容5 1 4 论文的章节组织。6 第2 章虚拟植物器官建模及可视化的理论基础 2 1 典型的植物器官建模方法8 2 1 1 基于图像的器官建模技术8 2 1 2 基于参数曲线和曲面的器官建模1 0 2 1 3 基于几何技术的器官建模1 0 2 1 4 器官建模方法的比较分析。1 2 2 2 物体形态变化仿真的方法概述1 3 2 2 1 基于自由变形的物体形变算法。1 3 2 2 2 基于物理性能的物体变形方法1 5 2 2 3 各种物体变形方法的总结1 8 2 3 本章小结1 9 第3 章树叶三维几何建模 3 1 树叶建模方法的确定2 0 3 2 本文所采用建模方法的优点2 1 3 3 树叶建模的具体实现2 2 3 3 1 原始图像的获取2 2 3 3 2 通过关键点获取得到树叶轮廓2 2 3 3 3 树叶轮廓的三角化2 3 3 4 实验结果2 6 3 5 本章小结2 7 第4 章基于质点一弹簧模型的树叶三维变形2 9 v 浙江工业大学硕十学位论文 4 1 树叶变形方法的确定2 9 4 2 应用质点弹簧模型实现树叶三维变形3 0 4 2 1 各个质点初始位置和初始条件确定3 2 4 2 2 处理变形约束3 2 4 2 3 受力分析、建立微分方程3 3 4 2 4 求解方程3 4 4 3 实验结果及分析3 5 4 4 本章小结3 9 第5 章基于马尔可夫链树叶渐衰可视化 5 1 关于物体渐衰、老化的相关方法4 0 5 2 树叶渐衰可视化方法的确定4 1 5 2 1 树叶渐衰的特点4 1 5 2 2 采用马尔可夫链模型实现树叶渐衰的町行性4 1 5 3 马尔可夫链模型基本原理概述4 1 5 3 1 基本理论4 2 5 3 2 模型表达。4 2 5 4 应用马尔可大链模型的实现过程4 3 5 4 1 树叶渐衰的半衰期模型4 3 5 4 2 环境特性及其影响。“ 5 4 3 树叶渐衰过程在马尔可夫链模型中的表达。4 4 5 5 实验结果及分析4 6 5 6 本章小结4 8 第6 章原型系统的设计与实现 4 9 6 1 系统概述4 9 6 2 系统的总体架构及主要流程4 9 6 2 1 系统的总体架构4 9 6 2 2 系统的主要流程5 1 6 3 开发环境和开发i t 具5 1 6 4 系统的实现及仿真过程5 2 6 4 1 系统实现的关键技术5 2 6 4 2 系统的内部实现5 5 6 - 4 3 系统实现的仿真过程5 6 6 5 本章小结6 2 第7 章总结与未来展望。 7 1 总结6 3 7 2 未来展望6 3 浙江工业大学硕士学位论文 参考文献 致谢 ：t ；! ； 6 9 攻读学位期间参加的科研项目和成果7 0 浙江工业大学硕士学位论文 第1 j 色 早绪论 1 1 论文研究背景、题目来源及研究意义 植物作为整个生态系统的生产者，直接关系到人类的生存、发展等各个方面。 近年来，伴随着计算机图形学技术的发展，虚拟植物生长的建模与可视化技术已 经发展成一门十分具有挑战性的热点研究课题。采用计算机技术来模拟植物的生 长过程的相关研究，从最初单纯的模拟植物形态结构特征，发展到现在模拟植物 形态特征和生理特征相结合的动态生长过程，通过迅速并且直观地展现植物的生 长发育过程，来实现数字化虚拟植物综合管理的目的。 信息化技术的发展使得传统的农林业领域的研究方法和管理模式也在发生 着改变。植物器官的真实感模拟和可视化表达，对于虚拟植物的研究和应用具有 重要作用。植物器官是诸多生理功能活动的场所，如在叶片上进行光合作用，因 而准确的器官模型不仅可以使模拟结果具有良好的视觉效果，而且对于农林业领 域的相关科学研究也至关重要。当前在这方面的研究主要分为两类：一类是对植 物器官形态结构的模拟，注重视觉效果的真实性。另一类注重植物学理论的真实 性，主要研究如何模拟植物真实的生长过程。为了使仿真结果不仅具有视觉真实 性，而且具有科学真实性，需要将上述两类研究综合起来，这也是当前植物器官 可视化研究的难点。本文在国家自然科学基金项目互利植物的群落结构特征模 型及可视化研究的课题背景下，针对树叶这一植物器官，引入了以质点一弹簧 模型为基础的树叶三维变形模型，较为真实的模拟了树叶在生长、老化、枯萎过 程中的几何形态的变化。另外，为了实现对树叶渐衰过程的仿真，采用马尔可夫 链模型，并且融入了温度、湿度等环境影响因子，增强了模拟的真实性。最后， 本文实现了融合环境影响因子的树叶渐衰可视化系统，给出了可视化仿真结果， 验证所使用方法的有效性。 本文的研究具有一定的学术价值和应用前景： 本文把树叶的自身物理属性与环境影响因子融合到了动态生长模型中，实现 了更为真实的树叶造型和树叶渐衰过程中的各种变化状态，使仿真效果不仅具有 浙江工业大学硕士学位论文 了视觉真实性，还具有了科学的真实性，为植物器官的可视化仿真提供了一种可 行的技术手段。 本文所开发的融合环境影响因子的树叶渐衰可视化系统，通过在计算机上模 拟植物树叶的渐衰过程，可以直观显示树叶在不同环境条件下的状态变化，为农 林业数字化、信息化研究人员提供可视化工具。 1 2 国内外研究现状 当前，国内外学者对植物形态结构建模的研究已经取得了一定进展，对植物 形态结构和植物生理特性的结合应用方面也做了一些工作。 1 2 1国外研究发展历程及现状 在计算机上模拟植物的生长起源于二十世纪六十年代。最早是用细胞的自动 生长模型，来描述植物的分支状况。这个模型第一次提出了用计算机来进行虚拟 植物建模的思想【l j 。 1 9 6 8 年，匈牙利生物学家l i l l d e 姗a y e “1 9 2 5 1 9 8 9 ) 通过在生物杂志上发表了 题目为m a m e m a t i c 2 l lm o d e l sf o rc e l l a ri m e r a c t i o n si 1 1d e v e l o p m e n t 【2 j 的文章， 首次提出了形式化的表达植物分支状况的系统一“字符重写系统( s 幽gr 印m t i n g s y s t e m ) ，学术上称之为l 系统( l s y s t e m ) ，它实际上是l 系统的雏形，用这种 方法能够生成许多经典的分形，也能形式化地描述了植物的形态与生长，起初主 要是构建植物的拓扑结构，即植物的各个器官( 主干，枝条，叶，果等) 之间的相 邻关系，后来把字符系统的各个符号用几何图形加以表示，形成了现在被诸多学 者所重视的l 系统。在l i n d e n m a y e r 提出l 系统的雏形以后，诸多学者都对其 加以了扩展和改进，其中加拿大学者p m s i n b e 埘c z 等提出了能够与周围环境交 互的开放l 系统( o p e nl s y s t e m ) 和能够模拟植物生长随机性的随机l 系统 ( r a i l d o ml s y s t 锄) 【3 ，4 ，5 1 ，从而达到更加准确的描述植物的生长过程的效果【2 4 】。 在1 9 8 3 年，美国学者r e e v e s 提出了“粒子系统( p a r t i c l e ss y s t e m ) ”的建模方 法，它是一种随机模型【6 ，7 ，8 ，1 0 1 ，它主要是一种对模糊”对象( 比如火焰、云、雾、 雪、尘等) 进行模拟的方法。粒子系统的基本原理是将待模拟物体看作是由很多 粒子构成的，粒子行为参数包括粒子生成速度、粒子的初始速度向量、粒子寿命、 粒子颜色等，用来描述每个粒子的生产、移动、变化和死亡过程。其最终模型是 浙江工业大学硕士学位论文 能够移动、变形的动态模型【2 1 1 。该模型不适合描绘植物的形态结构，不能用基于 表面的建模方法来描述【2 4 1 。 c b e n e 提出了一种基于体素空间( v o x e ls p a c e ) 的方法【9 1 。体素空间是把一块 三维空间区域细分为若干小立方体( c u b e ) ，每一个小立方体是一个体元素。模型 根据它们在空间中相交、相邻、碰撞等关系在体素空间中“生长 。空间中植物 和周围环境都用体元素近似表示。这种方法主要应用于三维成像、科学资料与医 学影像等领域。 随后d e r e 毋e 等提出了“参考轴技术 的植物建模方法【l l 1 2 1 ，该方法用随 机过程的马尔可夫链理论以及“状态转化图( 眈l t e 仃a 邺i t i o n 黟印h ) 方式来描述植 物的生长发育等过程，是一种典型的基于随机过程的方法。该模型有两个方面的 优点，第一个优点是该模型能够比较真实反映植物的生长模型；第二个优点是该 模型能够直观可视化模拟植物生长的各个阶段。另外，该模型可以把周围的物理 环境参数集成到该系统中，是第一个真正符合植物生长规律的模型。 随着各种建模理论的成熟，计算机硬件水平的飞速发展，各种优秀的植物建 模软件伴随着各个研究成果也相继地涌现出来。0 1 1 ) 【y 公司利用其开发的t i 也e c l a s s i c 和t r e e p r o f f e 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 研究机构开发了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 l l 仃ef o rp l a i l t 觚h i t e c 眦 i n f o n n a t i c s 研制了基于l 系统建模方法开发了v i m 谢p 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，病虫害对植物生长的影响。加拿大 c a l g 研大学开发的基于l 系统建模方法和利用少量植物学的知识开发出的 c p e g ，l s n l d i o ，v i m l a ll a b o r a t o r y ，能再现灭绝的树种，并成功的应用于辅助 景观设计和植物学教学。法国c i 凡m 开发的a m a p 系列软件在植物生长机理模 型与可视化模型方面取得了显著的进展。该软件包括了若干个子系统软件，每个 子系统软件完成不同的功能，并对数据库中的数据进行提取，以表格的方式显示 出来，从而可与描述植物概率模型产生的植物生长参数曲线进行比较、验证和调 整模型1 3 ，1 4 2 4 1 。 1 2 2 国内研究历程及现状 国内在这方面的研究起步较晚，但也取得了一定进展，国内几所著名大学， 浙江工业大学硕士学位论文 例如：中科院计算机所，中科院自动化所，中科院植物所等分别对玉米、小麦、 水稻等农作物的形态结构进行了模拟【1 5 ，1 6 ，1 7 ，l 羽。 中国科学与技术大学赵星博士在其博士论文研究期间，深入分析了当前世界 1 上几种主要的植物建模方法，指出l 系统和“参考轴技术”适合于模拟植物生长 过程，但是这两种模型建模过程过于复杂，实现起来比较困难。他提出了一个既 忠实于植物学，又简明易用、面向过程的植物形态发展模型【1 9 ，2 2 】，该模型能够更 加真实模拟植物生长过程，更方便的应用于虚拟植物的研究，其主要研究成果包 括：( 1 ) 提出了一种“双尺度自动机模型”主要用来仿真植物形态构造。( 2 ) 提出 了一种概率模型，该模型是一种忠实于植物实际生长状况的生长模型。( 3 ) 对虚 拟植物生长的方法和过程进行了深入研究。( 4 ) 提出了基于双尺度自动机模型的 植物枝条弯曲算法。考虑了植物的生长机理，根据植物的生理年龄来组合植物的 生长参数，参数物理意义明确，结构简洁有条理，形象直观，易于理解和编程实 现。 武汉理工大学的崔劲等人提出了基于l 系统的交互式虚拟植物结构建模方 法【2 0 1 ，该方法采用特定的l 系统描述植物结构，使植物特征得以及时调整，较 好地弥补了l 系统实时性的不足，达到了人机交互的效果。 重庆大学计算机学院的李云峰、朱庆生等人提出了一种基于植物器官图像的 器官重建方法【2 l 】，使用该方法使系统生成的植物器官具有逼真的外观效果，可以 实现快速的植物器官可视化重建。 中科院的迟小羽【4 5 】等人运用双层结构模型表达树叶的力学结构，实现对树叶 形态多样化的模拟，取得了较好的效果。 当前，将植株三维形态结构及空间构型建成的模拟模型与生长模型耦合，发 展植物器官与个体形态结构的动态显示模型及可视化技术，实现基于虚拟生长的 理想植物造型设计技术鲜有文献报道。 1 3 论文的研究目标和研究内容 1 3 1 研究目标 本文研究的目标是实现融合环境影响因子的树叶渐衰过程可视化，不仅要考 虑树叶绘制的真实感，还要考虑树叶本身的各种物理属性，以及植物受生长环境 影响的各种因素，以体现较为真实的树叶动态渐衰枯萎过程。采用可视化技术实 4 浙江工业大学硕士学位论文 现模拟树叶动态渐衰枯萎的原型系统，直观的显示树叶动态渐衰枯萎过程中树叶 形态结构的变化状态，从而验证本文所采用的模型和方法的有效性和可靠性。 1 3 2 研究内容 本文的主要内容是以典型的植物器官树叶作为研究对象，对树叶渐衰枯萎过 程中的各种形态结构变化进行模拟，引入了基于质点一弹簧模型的树叶三维变形 方法，建立可视化仿真系统实现树叶的渐衰枯萎过程。本系统在建模过程中加入 了环境影响因子( 光照、水分) 和各种外力作用，加强了树叶形态结构模拟的真实 性。本文在前人研究的基础上，主要完成了以下几个方面的工作： l 、树叶建模方法研究。本文研究分析了植物器官的各种建模方法，考虑树 叶建模的效率，真实感绘制以及良好的交互性，采用了基于图像的快速建模方式， 实现对树叶的建模。 2 、树叶的三维变形。本文为了实现对树叶枯萎老化和渐衰过程中各种形态 结构的模拟，对多种树叶三维变形算法进行了分析，考虑植物叶片本身的物理生 理特性及各种外力的作用，并且根据在树叶建模的基础上得到的树叶网格的特 点，采用了基于质点一弹簧模型的树叶三维变形方法，实现树叶在枯萎、老化过 程中的几何形态变化。 3 、基于马尔可夫链的树叶纹理颜色选择。为了表现树叶在枯萎过程中的各 个状态，本文引入了基于马尔可夫链的模型，结合相关环境影响因子，并且以光 照和水分这两个因子作为计算状态转移概率的主要因素，根据转移概率选择相应 的树叶纹理，实现树叶在渐衰枯萎过程中纹理颜色的变化。 4 、在以上三方面的工作基础上，本文最后给出了一个树叶渐衰的可视化系 统的设计和开发，通过对树叶渐衰过程中的各种状态进行直观展示，以表明本文 所采用模型的有效性。 各部分研究内容的关系如图1 1 所示： 浙江工业大学硕士学位论文 原始树叶 几何形态变换 h 颜色变换 l ， 用户交互控制 植物图形显示 图1 1 本文研究内容的框图 本文研究内容是围绕着树叶这个典型的植物器官展开，将原始树叶经过建 模、三维变形、纹理映射等一系列的处理，得到不同状态下的树叶，最后通过用 户对环境参数的输入和马尔可夫链模型的控制将不同状态的树叶在整棵树上显 示，达到可视化树叶渐衰老化过程的效果。 几何形态变换模块，主要是完成树叶建模和树叶的三维变形工作，采用的是 基于图像的建模方法和基于质点一弹簧模型的变形方法。经过这一步，得到 树叶的不同形态，以满足颜色变换模块的需要。 颜色变换模块中，主要是完成基于马尔可夫链模型的树叶渐衰可视化过程。 在该模块中通过概率计算选择不同的纹理以及几何变换中的树叶形态，实现 树叶的颜色变换过程，从而体现树叶的渐衰老化过程。 根据以上两个模块得到的结果，通过马尔可夫链模型的控制和用户对环境参 数的输入将不同状态的树叶在整棵树上显示，实现与用户之间的交互过程。 1 4 论文的章节组织 论文的章节组织安排如下： 第一章、绪论。介绍了论文的研究背景和论文题目来源，分析综述了国内外 在虚拟植物生长领域的研究现状和热点问题，阐述了本文研究的目标和主要研究 内容。 第二章、虚拟植物器官建模及可视化的理论基础。分别介绍了当今植物虚拟 仿真领域植物器官建模的常见方法和常用的三维变形算法两方面的内容。并且对 6 浙江工业大学硕士学位论文 几种方法的优缺点，适用范围作了比较分析，指出了各个模型的适用范围。 第三章、树叶三维几何建模。分析了树叶建模的几种主要方法，确定了本文 中树叶建模的方法，阐述了本文所采用方法的优点和具体实现过程，最后给出了 、 实验结果，实现了对树叶的三维建模。 第四章、基于质点一弹簧模型的树叶三维变形。首先介绍了质点一弹簧模型 的原理和关键因素，然后介绍了应用质点一弹簧模型进行树叶变形的各个流程， 包括初始条件确定，约束的确定，受力分析、建立方程和求解方程，最后给出了 实验结果，实现了树叶的三维变形，并对实验结果作了讨论和总结。 第五章、基于马尔可夫链的树叶渐衰可视化。介绍了开放式马尔可夫链模型 的基本理论、模型表达、基本算法，采用马尔可夫链模型进行了可行性分析，详 细阐述了利用马尔可夫链模型实现渐衰的具体过程，包括树叶的渐衰过程的阐 述、树叶渐衰的半衰期模型介绍以及环境特性及影响。最后给出了实验结果。 第六章、原型系统的设计与实现。本章从原型系统设计的目标，系统流程及 过程，系统开发环境等方面，给出了原型系统的设计开发流程。并且得到了仿真 结果。 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 对今后进一步的工作重点和研究方向作了展望。 浙江工业大学硕士学位论文 第2 章虚拟植物器官建模及可视化的理论基础 目前，大多数的学者根据植物器官构造的各自特点，对叶子、果实、花、树 干等各种植物器官，采用不同的建模方式。本章主要是介绍植物器官建模常见的 原理和方法，以及树叶三维变形的常见方法，并对这些方法的优缺点进行了比较 和分析，指出其适用的条件和场合，为后续本文树叶建模和树叶的三维变形及可 视化奠定基础。 2 1典型的植物器官建模方法 典型的植物器官主要包括叶片、果实、花朵等，随着可视化技术的不断发展， 出现了各种各样的方法来实现对这类植物器官的建模，但是从建模原理上来讲， 主要分为以下几类：基于图像合成技术的器官建模，基于参数曲线和曲面的器官 建模，基于几何技术的器官建模。 2 1 1 基于图像的器官建模技术 基于图像的器官建模技术是当前器官建模的重要发展方向之一，融合了图形 和图像技术。基于图像的器官建模流程如下图2 1 所示： 8 浙江工业大学硕士学位论文 原始图像 边缘提取1 矢量化 三角化 输出器官符号 图2 1基于图像建模的流程图f 2 3 】 叶片、果实、花朵等植物器官虽然都有各自的特点，但是在考虑应用基于图 像对器官建模的时候，都可以归结为对器官特征面的获取。叶片和花朵的主要特 征反映在其正表面，因而通过获取其正表面的特征来进行这类器官的建模。果实 的特征面表现在其剖面上，可以先获取其剖面，然后通过旋转剖面的方法来进行 建模。因而无论是叶片、花朵还是果实都可以通过上述流程图来获得其特征面。 以下是应用这种方法实现叶片建模的实例，如图2 2 所示： i - 、i t _ 一? ”一_ 一一”飞 一， ( a ) 原始图像 、 、 ， ( b ) 轮廓提取 ( c ) 经过处理后的轮廓( d ) 三角化后得到叶片模型 图2 2 应用图像技术实现叶片建模的各个过程f 2 4 】 9 浙江工业大学硕士学位论文 2 1 2 基于参数曲线和曲面的器官建模 除了基于图像合成技术的器官建模方法外，另一种主要的器官建模方法就是 基于参数曲线和曲面的器官建模，其中特别是b e z i e r 曲线和曲面常常在植物器官 建模中用来展现植物器官的形态。 以下用b e z i e r 曲面为例来阐述这种方法在建模上的一个应用。b e z i e r 曲面通 常用b e m s t e i n 多项式基函数来表示，b e m s t e i n 多项式为： l e ，一( ) 2j i i ；- ；i i ( 1 一) ”一，7 = o ，l ( 2 - 1 ) 它们形成多项式空间的一组基。b e z i e r 曲面片用b e m s t e i n 多项式基函数表示为： j 打村 ，( 叩) = 包，e ，。( 甜) 易，。( 1 ，) ，o ”，1 ( 2 2 ) l 暑oj = o 以下是用于植物器官建模的b e z i e r 曲面，如图2 3 所示： 一目一 图2 3 部分植物器官的b e z i e r 曲面口珂 2 1 3 基于几何技术的器官建模 一种典型的基于几何技术的三维造型设计是由l i n t e 肌锄和d e u s s e n 提出的 交互式的三维植物造型设计方法【2 6 1 。这种方法基于物体详细的几何外观，采用先 进的绘制技术，来创建真实感较强的物体。 l i n t e m 锄和d e u s s e n 在对植物创建三维形态的时候，将植物的一系列器官 作为整棵植物组装的节点，而对于每个器官，根据其几何形态，将它们用若干个 1 0 浙江工业大学硕士学位论文 最基本的几何元素来表示，通过这些元素的组装得到植物器官，通过器官的组装 得到整棵植物，从而达到对植物的三维形态的构造。 该方法用于构成植物器官的基本几何元素如图2 4 所示： 该方法对 对整株植 帕 应用这种 口囵囫囹团困 图回画画图 7 )( 8 )( 9 )( 1 0 )( 11 i 图2 - 4 基本几何元素闭 浙江工业大学硕士学位论文 的细节描述绘制得很详细，真实感较强，但是这种方式最大的不足在于它只适用 于对静态物体的构造，不能满足动态模拟的需要。 后来为了专门模拟具有特定效果的植物形态，p m s i n l 【i e 谢c z 【2 7 】运用了几何变 换的方法生成了具有卷曲效果的叶片，s u n g 通过交互地调整叶脉的三维形态 的方法也构造出了具有卷曲效果的叶片。 构造这类具有特定效果的叶片的方法主要基于叶片的三个重要因素：叶片的 姿态，比如叶片的卷曲和叶片的拉伸；叶片在某一方向上姿态的渐变过程：相对 于整株植物轮廓的叶片绘制细节。这种方法具有良好的交互性，用户可以根据需 要选择叶片的弯曲度等特征。使用该方法对植物叶片构造的一个实例如图2 7 所 示： 图2 7 卷曲的叶片f 冽 这种方法能根据需要获得叶片的形态，但同样不能满足模拟叶片动态变化的 过程。 2 1 4 器官建模方法的比较分析 基于图像合成技术的器官建模具有较好的实际拟合效果，同时数据采集容 易，避开了复杂的测量过程。在对器官建模时，能够大大降低时间复杂度，并且 具有良好的视觉效果。 基于参数曲线和曲面的器官建模方法比较成熟，在c a d 系统中应用较为广 泛，也能避开复杂的数据测量过程，但是，当曲线或者曲面复杂的时候，应用这 种方法需要分段构造曲线或曲面，然后再进行拼接，进行平滑处理，过程比较麻 1 2 浙江工业大学硕士学位论文 烦，效果也不甚理想。 基于几何技术的器官建模方法能够