文献综述-树木可视化

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1、1.2.1树木三维可视化模拟技术目前，用于构造植物形态结构的计算机模型很多，大致可分为3大类：第1类模拟用于生成仅从视觉上近似于植物的计算机图形，注重视觉效果的逼真性，而不是植物学理论的真实性；第2类模型称为静态结构模型，是利用三维数字化方法测定具体植物的形态结构后直接应用这些数据构造特定植物的形态模型；第3类模型是动态结构模型，能模拟植物的动态生长过程（郭焱等，2001；刘兴龙等，2008）。有关树木形态生长可视化模拟的建模方法主要有以下几种：分形法（L系统、IFS法、DLA模型法）、几何结构法、粒子系统法、随机过程法和特征综合推理法。（1）分形

2、法理论生物学家Lindenmayer提出了著名的基于文法、侧重于植物拓扑结构的L系统（Lindenmayer，1968）；Mech与Prusinkiewicz提出了所谓的“开放式（open）L系统”；为了模拟植物的连续生长过程，Prusinkiewicz等还提出了时变L系统。为了能够进一步应用微分方程表示植物的连续变化过程，Prusinkiewicz等又提出了微分L系统。加拿大Calgary大学的Prusinkiewiez等人，以L系统为植物形态结构的描述框架，开发了Vlab虚拟植物系统（Prusinkiewiez，1975）。李大锦、徐盛、袁震东

3、等人应用L系统算法来模拟树木在不同环境下的生长状况（李大锦，2007）。L系统经过不断的发展，已经成为一种应用广泛、功能强大的植物模拟方法，它强调计算机图形学与植物生长机理的结合。但是，这种方法也存在着一些缺陷。一方面，L系统生成一个字符发展序列是一个并行迭代过程，这和植物并行生长的特征相吻合。基于这个特点，用L系统模拟植物的生长，提取其生长规则是关键，由于高大植物的生长规则不易提取，所以L系统不能很好的模拟高大植物；另一方面，在L系统具体编程实现时，形式语言的表示方法比较复杂，而且由于在产生式中同时描述植物的几何结构信息和拓扑信息，理解和使用也比

4、较困难。迭代函数系统IFS（IteratedFunctionSystem）是分形几何中的重要研究内容之一。Barnsley和Demko用IFS方法生成了具有极强自相似特征的蕨类植物叶片（Barnsley，1985）。马石安、陈传波对基于迭代函数的树木模拟方法进行了探索。李庆忠、韩金姝探讨几种基于IFS的彩色树木模拟技术，以及随机因素和迭代概率对树木形态的影响（李庆忠，2004）。祁燕等采用IFS方法和随机参数化方法，构造出三维桃树和枫树的模型（祁燕，2005）。仲兰芬等生成了单轴分枝和合轴分枝两类树木的IFS码（仲兰芬，2005）。刘文进从交互式获

5、取自然景物IFS码的角度对任意自然景物的信息提取问题进行了全面讨论（刘文进，2005）。（2）几何结构法Aono与Knnii提出了树木的三维几何模型，以植物特定分枝模式为基础，使用分枝角、开度角、分枝长度比例等几何参量，实施对植物几何结构的控制和修改。Weber等提出了一种适合实时绘制的树木可视化模型表达方法以及相应的模型简化算法。Lintermann等通过模块化交互建模方法用图来描述树的结构。韩玉阁、宜益民和汤瑞峰利用随机生成方法提出了树木及丛林的随机生成模型，其中包括不同类型树木的单棵树木几何构形生成模型和由相同或不相同树木类型构成的丛林随机生

6、成模型。（3）粒子系统法Reeves提出了注重于模拟花、草、树整体环境的粒子系统（Reeves，1983）。Reeves等人提出的粒子系统所绘制的森林是早期计算机生成虚拟自然景物最有说服力的例子之一。王小铭、林拉以树木的静态造型为背景，提出一种基于骨架定制和粒子系统模型的树木模拟方法（王小铭，2003）。用许多形状简单的微小粒子作为基本元素来表示自然界不规则的模糊景物。由于自然景物中的大多数物体是随机的、模糊的、无规则的，因此可以把它们看作是粒子系统。它们不是静止的，而是随着时间的变化处在不断运动中的粒子集合，随着新粒子的不断产生和运动以及旧粒子的

7、消亡，将引起其外形及内部结构的不断变化。因此粒子系统能较好地反映自然界的真实情况，可用于自然景物及各种自然现象的模拟显示。适用于模拟森林、草丛等复杂模糊的自然场景。（4）随机过程法法国农业国际合作研究发展中心（CIRAD）的PhilippedeReffye等人建立的虚拟植物模型AMAP，也称为随机过程模型，是一个针对植物结构特征的专用方法（PhilippedeReffye，2008）。近年来，我国在此领域也取得很大的进展，以中国科学院自动化研究所中法实验室（LIAMA）为代表，他们与中国农业大学等单位合作，在AMAP的基础上建立了GreenLab（

8、青园）模型，它以数学公式表示，弥补了AMAPsim在模拟植株的生理生态功能的欠缺，又克服了AMAPhydro只能模拟简单形