文獻(xiàn)綜述-樹(shù)木可視化

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1、1.2.1樹(shù)木三維可視化模擬技術(shù)目前，用于構(gòu)造植物形態(tài)結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)模型很多，大致可分為3大類(lèi)：第1類(lèi)模擬用于生成僅從視覺(jué)上近似于植物的計(jì)算機(jī)圖形，注重視覺(jué)效果的逼真性，而不是植物學(xué)理論的真實(shí)性；第2類(lèi)模型稱(chēng)為靜態(tài)結(jié)構(gòu)模型，是利用三維數(shù)字化方法測(cè)定具體植物的形態(tài)結(jié)構(gòu)后直接應(yīng)用這些數(shù)據(jù)構(gòu)造特定植物的形態(tài)模型；第3類(lèi)模型是動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)模型，能模擬植物的動(dòng)態(tài)生長(zhǎng)過(guò)程（郭焱等，2001；劉興龍等，2008）。有關(guān)樹(shù)木形態(tài)生長(zhǎng)可視化模擬的建模方法主要有以下幾種：分形法（L系統(tǒng)、IFS法、DLA模型法）、幾何結(jié)構(gòu)法、粒子系統(tǒng)法、隨機(jī)過(guò)程法和特征綜合推理法。（1）分形

2、法理論生物學(xué)家Lindenmayer提出了著名的基于文法、側(cè)重于植物拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的L系統(tǒng)（Lindenmayer，1968）；Mech與Prusinkiewicz提出了所謂的“開(kāi)放式（open）L系統(tǒng)”；為了模擬植物的連續(xù)生長(zhǎng)過(guò)程，Prusinkiewicz等還提出了時(shí)變L系統(tǒng)。為了能夠進(jìn)一步應(yīng)用微分方程表示植物的連續(xù)變化過(guò)程，Prusinkiewicz等又提出了微分L系統(tǒng)。加拿大Calgary大學(xué)的Prusinkiewiez等人，以L系統(tǒng)為植物形態(tài)結(jié)構(gòu)的描述框架，開(kāi)發(fā)了Vlab虛擬植物系統(tǒng)（Prusinkiewiez，1975）。李大錦、徐盛、袁震東

3、等人應(yīng)用L系統(tǒng)算法來(lái)模擬樹(shù)木在不同環(huán)境下的生長(zhǎng)狀況（李大錦，2007）。L系統(tǒng)經(jīng)過(guò)不斷的發(fā)展，已經(jīng)成為一種應(yīng)用廣泛、功能強(qiáng)大的植物模擬方法，它強(qiáng)調(diào)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與植物生長(zhǎng)機(jī)理的結(jié)合。但是，這種方法也存在著一些缺陷。一方面，L系統(tǒng)生成一個(gè)字符發(fā)展序列是一個(gè)并行迭代過(guò)程，這和植物并行生長(zhǎng)的特征相吻合?；谶@個(gè)特點(diǎn)，用L系統(tǒng)模擬植物的生長(zhǎng)，提取其生長(zhǎng)規(guī)則是關(guān)鍵，由于高大植物的生長(zhǎng)規(guī)則不易提取，所以L系統(tǒng)不能很好的模擬高大植物；另一方面，在L系統(tǒng)具體編程實(shí)現(xiàn)時(shí)，形式語(yǔ)言的表示方法比較復(fù)雜，而且由于在產(chǎn)生式中同時(shí)描述植物的幾何結(jié)構(gòu)信息和拓?fù)湫畔ⅲ斫夂褪褂靡脖?/p>

4、較困難。迭代函數(shù)系統(tǒng)IFS（IteratedFunctionSystem）是分形幾何中的重要研究?jī)?nèi)容之一。Barnsley和Demko用IFS方法生成了具有極強(qiáng)自相似特征的蕨類(lèi)植物葉片（Barnsley，1985）。馬石安、陳傳波對(duì)基于迭代函數(shù)的樹(shù)木模擬方法進(jìn)行了探索。李慶忠、韓金姝探討幾種基于IFS的彩色樹(shù)木模擬技術(shù)，以及隨機(jī)因素和迭代概率對(duì)樹(shù)木形態(tài)的影響（李慶忠，2004）。祁燕等采用IFS方法和隨機(jī)參數(shù)化方法，構(gòu)造出三維桃樹(shù)和楓樹(shù)的模型（祁燕，2005）。仲蘭芬等生成了單軸分枝和合軸分枝兩類(lèi)樹(shù)木的IFS碼（仲蘭芬，2005）。劉文進(jìn)從交互式獲

5、取自然景物IFS碼的角度對(duì)任意自然景物的信息提取問(wèn)題進(jìn)行了全面討論（劉文進(jìn)，2005）。（2）幾何結(jié)構(gòu)法Aono與Knnii提出了樹(shù)木的三維幾何模型，以植物特定分枝模式為基礎(chǔ)，使用分枝角、開(kāi)度角、分枝長(zhǎng)度比例等幾何參量，實(shí)施對(duì)植物幾何結(jié)構(gòu)的控制和修改。Weber等提出了一種適合實(shí)時(shí)繪制的樹(shù)木可視化模型表達(dá)方法以及相應(yīng)的模型簡(jiǎn)化算法。Lintermann等通過(guò)模塊化交互建模方法用圖來(lái)描述樹(shù)的結(jié)構(gòu)。韓玉閣、宜益民和湯瑞峰利用隨機(jī)生成方法提出了樹(shù)木及叢林的隨機(jī)生成模型，其中包括不同類(lèi)型樹(shù)木的單棵樹(shù)木幾何構(gòu)形生成模型和由相同或不相同樹(shù)木類(lèi)型構(gòu)成的叢林隨機(jī)生

6、成模型。（3）粒子系統(tǒng)法Reeves提出了注重于模擬花、草、樹(shù)整體環(huán)境的粒子系統(tǒng)（Reeves，1983）。Reeves等人提出的粒子系統(tǒng)所繪制的森林是早期計(jì)算機(jī)生成虛擬自然景物最有說(shuō)服力的例子之一。王小銘、林拉以樹(shù)木的靜態(tài)造型為背景，提出一種基于骨架定制和粒子系統(tǒng)模型的樹(shù)木模擬方法（王小銘，2003）。用許多形狀簡(jiǎn)單的微小粒子作為基本元素來(lái)表示自然界不規(guī)則的模糊景物。由于自然景物中的大多數(shù)物體是隨機(jī)的、模糊的、無(wú)規(guī)則的，因此可以把它們看作是粒子系統(tǒng)。它們不是靜止的，而是隨著時(shí)間的變化處在不斷運(yùn)動(dòng)中的粒子集合，隨著新粒子的不斷產(chǎn)生和運(yùn)動(dòng)以及舊粒子的

7、消亡，將引起其外形及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不斷變化。因此粒子系統(tǒng)能較好地反映自然界的真實(shí)情況，可用于自然景物及各種自然現(xiàn)象的模擬顯示。適用于模擬森林、草叢等復(fù)雜模糊的自然場(chǎng)景。（4）隨機(jī)過(guò)程法法國(guó)農(nóng)業(yè)國(guó)際合作研究發(fā)展中心（CIRAD）的PhilippedeReffye等人建立的虛擬植物模型AMAP，也稱(chēng)為隨機(jī)過(guò)程模型，是一個(gè)針對(duì)植物結(jié)構(gòu)特征的專(zhuān)用方法（PhilippedeReffye，2008）。近年來(lái)，我國(guó)在此領(lǐng)域也取得很大的進(jìn)展，以中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所中法實(shí)驗(yàn)室（LIAMA）為代表，他們與中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)等單位合作，在AMAP的基礎(chǔ)上建立了GreenLab（

8、青園）模型，它以數(shù)學(xué)公式表示，彌補(bǔ)了AMAPsim在模擬植株的生理生態(tài)功能的欠缺，又克服了AMAPhydro只能模擬簡(jiǎn)單形