文獻(xiàn)綜述-樹木可視化

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1、1.2.1樹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)的計算機模型很多，大致可分為3大類：第1類模擬用于生成僅從視覺上近似于植物的計算機圖形，注重視覺效果的逼真性，而不是植物學(xué)理論的真實性；第2類模型稱為靜態(tài)結(jié)構(gòu)模型，是利用三維數(shù)字化方法測定具體植物的形態(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類模型是動態(tài)結(jié)構(gòu)模型，能模擬植物的動態(tài)生長過程（郭焱等，2001；劉興龍等，2008）。有關(guān)樹木形態(tài)生長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、隨機過程法和特征綜合推理法。（1）分形法理論生物學(xué)家Lindenmayer

2、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“開放式（open）L系統(tǒng)”；為了模擬植物的連續(xù)生長過程，Prusinkiewicz等還提出了時變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，開發(fā)了Vlab虛擬植物系統(tǒng)（Prusinkiewiez，1975）。李大錦、徐盛、袁震東等人應(yīng)用L系統(tǒng)算法來模擬樹木在不同環(huán)境下的生長狀況（李大錦，2007）。

3、L系統(tǒng)經(jīng)過不斷的發(fā)展，已經(jīng)成為一種應(yīng)用廣泛、功能強大的植物模擬方法，它強調(diào)計算機圖形學(xué)與植物生長機理的結(jié)合。但是，這種方法也存在著一些缺陷。一方面，L系統(tǒng)生成一個字符發(fā)展序列是一個并行迭代過程，這和植物并行生長的特征相吻合?；谶@個特點，用L系統(tǒng)模擬植物的生長，提取其生長規(guī)則是關(guān)鍵，由于高大植物的生長規(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)具體編程實現(xiàn)時，形式語言的表示方法比較復(fù)雜，而且由于在產(chǎn)生式中同時描述植物的幾何結(jié)構(gòu)信息和拓?fù)湫畔ⅲ斫夂褪褂靡脖容^困難。迭代函數(shù)系統(tǒng)IFS（IteratedFunctionSystem）是分形幾何中的重要研究內(nèi)容之一。B

4、arnsley和Demko用IFS方法生成了具有極強自相似特征的蕨類植物葉片（Barnsley，1985）。馬石安、陳傳波對基于迭代函數(shù)的樹木模擬方法進(jìn)行了探索。李慶忠、韓金姝探討幾種基于IFS的彩色樹木模擬技術(shù)，以及隨機因素和迭代概率對樹木形態(tài)的影響（李慶忠，2004）。祁燕等采用IFS方法和隨機參數(shù)化方法，構(gòu)造出三維桃樹和楓樹的模型（祁燕，2005）。仲蘭芬等生成了單軸分枝和合軸分枝兩類樹木的IFS碼（仲蘭芬，2005）。劉文進(jìn)從交互式獲取自然景物IFS碼的角度對任意自然景物的信息提取問題進(jìn)行了全面討論（劉文進(jìn)，2005）。（2）幾何結(jié)構(gòu)法Aono與Knnii提出了樹木的三維幾何

5、模型，以植物特定分枝模式為基礎(chǔ)，使用分枝角、開度角、分枝長度比例等幾何參量，實施對植物幾何結(jié)構(gòu)的控制和修改。Weber等提出了一種適合實時繪制的樹木可視化模型表達(dá)方法以及相應(yīng)的模型簡化算法。Lintermann等通過模塊化交互建模方法用圖來描述樹的結(jié)構(gòu)。韓玉閣、宜益民和湯瑞峰利用隨機生成方法提出了樹木及叢林的隨機生成模型，其中包括不同類型樹木的單棵樹木幾何構(gòu)形生成模型和由相同或不相同樹木類型構(gòu)成的叢林隨機生成模型。（3）粒子系統(tǒng)法Reeves提出了注重于模擬花、草、樹整體環(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算機生成虛擬自然景物最

6、有說服力的例子之一。王小銘、林拉以樹木的靜態(tài)造型為背景，提出一種基于骨架定制和粒子系統(tǒng)模型的樹木模擬方法（王小銘，2003）。用許多形狀簡單的微小粒子作為基本元素來表示自然界不規(guī)則的模糊景物。由于自然景物中的大多數(shù)物體是隨機的、模糊的、無規(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，而是隨著時間的變化處在不斷運動中的粒子集合，隨著新粒子的不斷產(chǎn)生和運動以及舊粒子的消亡，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)雜模糊的自然場景。（4）隨機過程法法國農(nóng)業(yè)國際合作研究發(fā)展中心（CIR

7、AD）的PhilippedeReffye等人建立的虛擬植物模型AMAP，也稱為隨機過程模型，是一個針對植物結(jié)構(gòu)特征的專用方法（PhilippedeReffye，2008）。近年來，我國在此領(lǐng)域也取得很大的進(jìn)展，以中國科學(xué)院自動化研究所中法實驗室（LIAMA）為代表，他們與中國農(nóng)業(yè)大學(xué)等單位合作，在AMAP的基礎(chǔ)上建立了GreenLab（青園）模型，它以數(shù)學(xué)公式表示，彌補了AMAPsim在模擬植株的生理生態(tài)功能的欠缺，又克服了AMAPhydro只能模擬簡單形