基于形态特征的秋茄树建模与可视化.pdf

摘要

以植物为对象的计算机建模与可视化仿真，一直以来都是计算机图形学、生

态学等诸多领域中重要研究课题。目前，在虚拟植物建模研究领域中，研究对象

多数是经济作物，针对景观植物的可视化相对较少。现有的针对树木的建模方法

中，植物模型一般采用基于图像的表示方法，其精细程度不如人意。存在着树木

形态结构单一，根系模拟较少且绘制速度相对较慢等缺点。秋茄树是我国南方沿

海城市常见的树木之一，被广泛用于防风消浪、固土保湿，在我国沿海防护林和

景观树种中占据重要地位。因此本文选择秋茄树为建模仿真对象。在对大量植物

生长算法文献阅读和分析的基础上，本文对树木仿真与可视化算法进行了深入的

研究，取得创新成果如下：

（1）为了实现多样化的秋茄树枝干，本文引入了双重随机算法。一方面，

该算法通过为产生式规则元组设置概率因子，使得在经过重写迭代后，相同的初

始字符串能够迭代出不同的最终字符串。这种设计使得算法具有更强的灵活性和

多样性，能够更好地模拟秋茄树枝干的自然生长过程。另一方面，在描绘秋茄树

分枝形态结构的参数中设定阈值范围，最终渲染绑定的产生式规则参数将在该阈

值范围内随机选择。在双重随机算法的计算下，即使产生式规则在一定概率下相

同，字符串前的参数也可改变，仍可生成不同形态的秋茄树，增加模型渲染树木

的多样性。

（2）秋茄树的根系结构较为独特且复杂，结合其根系的生物特征及生长规

律，最后选择用微分L系统算法来构建秋茄树根系的生长模型。本文在原始L

系统的基础上引入微分函数，并用生长函数来描述秋茄树根系的生长变化。并根

据秋茄树根系的具体特征，对其生长函数做了改进，使秋茄树根系模型更符合真

实的生长规律。

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（）在模型的渲染方面，为修复传统图形绘制带有弧度的枝干时不自然脱

节的缺陷，本文将二次B样条插值函数引入到参数曲面绘制模型中。在进行的

字符串解析后，会在二次B样条插值函数的基础上空间坐标计算。最终呈现较

为流畅的秋茄树枝条曲线，达到更好的仿真效果。

通过上述建模方法可以构建出具有良好感知的秋茄树模型，且该模型兼具贴

合真实树木和数据量小等诸多特征，可以在引种栽培、品种选育种等方面，得到

更直观有效的秋茄树生长反馈，也为南方沿海城市的虚拟场景提供可用的秋茄树

模型，并为其他树种的虚拟仿真提供了参考理念。

LB

关键词：虚拟植物，参数系统，二次样条插值函数，秋茄树

Abstract

Computermodelingandvisualsimulationofplantshavealwaysbeenan

importantresearchtopicinvariousfieldssuchascomputergraphicsandecology.At

present,inthefieldofvirtualplantmodelingresearch,mostoftheresearchobjects

areeconomiccrops,andtherearerelativelyfewvisualizationsforlandscapeplants.

Amongtheexistingmodelingmethodsfortrees,plantmodelsgenerallyuse

image-basedrepresentationmethods,buttheirlevelofprecisionisnotsatisfactory.

Therearedrawbackssuchasasingletreestructure,limitedsimulationofrootsystems,

andrelativelyslowdrawingspeed.Autumneggplantisoneofthecommontreesin

coastalcitiesinsouthernChina,widelyusedforwindandwaveprevention,soil

fixationandmoistureretention,andoccupiesanimportantposit