基于生长规律与图像相结合的树木叶片动态模拟
基于图形图像合成技术的植物建模与风中模拟
基于图形图像合成技术的植物建模与风中模拟曹阳【摘要】在建模过程中根据植物枝干和叶片的不同特征,采用分形图形学的方法绘制植物的枝干,并通过控制函数调整每个分枝的生长方向、长度和粗细程度等参数,可以生成不同种类、形态各异的植物分支结构,改变了原有分形方法生成结果过于规则的特点;采用图像方法绘制叶片,利用Alpha测试技术去掉图片中叶子的背景,保留复杂的边缘信息和颜色信息,通过旋转缩放等方法,可以生成各种逼真的植物叶片,并且方法简单,计算速度较快.另外,从形态学角度出发,根据枝条在风力影响下的不同形变,近似地模拟出植物在风中摇曳的过程.%According to the different features between plant trunks and leaves, fractal method was adopted to draw the branches during simulation process. Through controlling functions to adjust parameters, such as branching growth direction,length, and radius, all kinds of branch structures were created to change the original fractal method in generating results of too regular characteristics. Image method was adopted to draw blades and Alpha test technology was utilized to filter the background of the leaf picture and retain the complex edge and color information. Through the rotating and scaling method,various lifelike leaves were generated. This image-based method was simpler and faster than the graph method. Besides, the process of plant flickering in the wind was approximately simulated according to the branches of different deformation under the influence of wind from morphology point of view.【期刊名称】《计算机应用》【年(卷),期】2011(031)005【总页数】4页(P1252-1254,1257)【关键词】植物建模;分形;Alpha测试;形态学;风中模拟【作者】曹阳【作者单位】辽东学院信息技术学院,辽宁丹东118003【正文语种】中文【中图分类】TP751.1;TP391.410 引言植物建模是虚拟现实、计算机游戏、园林设计等系统中不可缺少的组成部分，但由于植物本身结构的复杂性以及自然形态的多样性，对其进行重建具有一定的挑战性。
不规则形状图象矩特征的一种快速准确算法
计算机工程与应用
过 点 xi y i 时 根 据 公 式 4 则 计 算 连 接 以 点 xmin yi 和 xk yi 为端点线段上所有点的 p g 阶矩
xmin yi - xk yi
3
实验结果分析
下面给出算法计算图象 p g 阶 原 点 矩 的 MS C++ 实 现 程
mpg mpg
序流程 O
图l 图2
公式 (4 > 可以通过图 l 进行原理分析 O 选择图象边缘任一 点 ( 0,y0> 开 始 顺 时 针 计 算 , 当 过 点 ( ,y > 时 , 根 据 公 式 (4>, 计 最小值
min
2
基于边缘点计算矩特征的方法
作为前提 , 需 要 计 算 图 象 的 边 缘 点 ;其 次 ,需 (l ,0 或 -
直线段上所有点的矩特征为代价 换取了定位图象内部象素点 的大量计算 降低了运算时间 尤其适用于具有复杂边缘形状 的图象 且计算结果没有引起任何误差 O 该实现思想可以推广 到任一对图象实行逐象素处理的算法O 收稿日期 2003 年 9 月
m m u11 =m11 - 10 01 m00 m u02 =m02 - 01 m00
状特征的计算中 $ 关键词 矩 不变矩 不规则形状 特征提取 逐象素 中图分类号 TP39l.4
文章编号 l002-833l- !2004%l7-0080-02
文献标识码 A
A Fast and Precision Method for Moment Computation of Non-regular Shape Image
xk
/ / 定 义 Edge L 和 polar L 数 组 代 表 图 象 的 L 个 边 缘 点 和 其 对
植物生长建模与可视化 回顾与展望
展望
植物生长建模与可视化技术未来 的发展趋势
随着农业数字化和智能化的发展，植物生长建模与可视化技术将迎来更为广阔 的发展空间。未来，植物生长建模将更加注重跨学科的交叉融合，结合人工智 能、机器学习等技术，实现对植物生长过程的精准预测和优化管理。同时，可 视化技术将进一步发展，通过3D打印、虚拟现实等技术，实现植物生长过程的 实时再现和模拟，为研究者和农民提供更为直观的指导。
植物生长可视化的研究
随着计算机技术和图像处理技术的发展，植物生长可视化成为研究热点。研究 者利用计算机视觉、图像处理等技术，实现对植物生长状态的实时监测和农业 智能管理。
目前，植物生长可视化技术主要包括图像处理、计算机视觉、深度学习等方法。 这些技术通过对植物图像的采集和处理，提取出植物的生长特征和状态信息， 从而实现对植物生长过程的精准评估。
为了应对这些挑战，未来的研究应注重以下几个方面：
1、发展更加智能、高效的监测设备和方法，以提高数据采集和处理的精度与 效率；
2、结合人工智能、机器学习等技术，设计更加精准的算法，提高建模和可视 化的精度与效率；
3、加强跨学科合作，整合植物生物学、农学、计算机科学等多学科资源，推 动植物生长建模与可视化技术的发展；
4、在更广泛的范围内开展植物生长建模与可视化研究，将其应用于不同类型 的作物和不同的农业环境中。
参考内容
引言
植物生长建模与可视化技术在现代农业中发挥着越来越重要的作用。通过对植 物生长过程的建模和可视化，研究人员和农学家可以更好地理解植物生长的规 律和特性，优化农业生产管理，提高作物产量和品质。本次演示将回顾植物生 长建模与可视化领域的发展历程，探讨当前的研究现状，并展望未来的发展趋 势。
植物生长建模与可视化技术存在 的问题与挑战
plant simulation method
题为：植物模拟方法1. 植物模拟方法的介绍在计算机图形学中，植物模拟方法是指利用计算机技术对植物生长、形态和运动进行模拟和仿真的方法。
这些方法不仅可以帮助我们更好地理解自然界中植物的生长规律，还可以在虚拟环境中创建逼真的植物场景，用于影视特效、游戏开发、城市规划等领域。
2. 树木模拟树木模拟是植物模拟方法中的一个重要分支，它主要关注树木的生长规律和形态特征。
通过对树木的生长过程进行建模，可以模拟出不同种类树木在不同环境条件下的生长情况，包括树干的生长、树叶的展开、树枝的分叉等过程。
目前，常用的树木模拟方法包括基于规则的模拟方法、基于物理的模拟方法和基于数据驱动的模拟方法。
3. 草地模拟除了树木模拟，草地模拟也是植物模拟方法中的重要内容。
草地模拟主要关注草地植被的外观和运动特性。
通过模拟草地的生长和摇曳，可以为虚拟场景增添逼真的自然感。
目前，常用的草地模拟方法包括基于粒子系统的模拟方法、基于形状建模的模拟方法和基于物理运动的模拟方法。
4. 个人观点和理解个人认为，植物模拟方法是计算机图形学领域的一个重要研究方向。
随着计算机硬件性能的提升和算法技术的进步，植物模拟方法可以越来越逼真地模拟出自然界中植物的形态和运动，为虚拟环境的建设提供了强大的支持。
未来，我希望能够进一步深入研究植物模拟方法，探索更多创新的模拟技术，为虚拟环境的视觉呈现带来更多可能性。
总结回顾植物模拟方法是计算机图形学中的一个重要研究方向，它可以帮助我们更好地理解植物的生长规律，同时也为虚拟环境的建设提供了强大的支持。
树木模拟和草地模拟是植物模拟方法中的两个重要分支，它们分别关注树木和草地植被的生长和运动特性。
随着技术的不断进步，植物模拟方法越来越逼真地模拟出自然界中植物的形态和运动，展现出了巨大的应用潜力。
至此，针对“植物模拟方法”的深度和广度要求，我已经撰写了一篇包含深入探讨和个人观点的文章。
希望能够帮助您更全面、深刻地理解这一主题。
植物建模入门知识点总结
植物建模入门知识点总结植物建模的基本原理植物建模的基本原理是基于植物学知识和计算机图形学技术，将植物的形态特征和生长规律转化为数学模型，并利用计算机图形学技术实现对植物形态的模拟和可视化。
植物建模的基本原理包括树木的结构建模、植物表面的纹理和材质建模、植物生长的模拟和动画等方面。
1. 树木的结构建模树木是植物建模中的重要对象，树木的结构建模是植物建模的基础。
树木的结构建模包括树干、树枝和叶片等部分的建模。
通常采用分层建模的方法，将树木的结构分解为不同层次的分支，然后对每个分支进行建模。
树木结构建模的方法包括参数化建模、L系统建模、体素建模等。
2. 植物表面的纹理和材质建模植物的外表面通常具有复杂的纹理和材质特征，如树皮的纹理、叶片的纹理等。
植物表面的纹理和材质建模是植物建模中的重要环节，它包括对植物表面纹理的采集和建模、对植物材质的仿真和渲染等方面。
3. 植物生长的模拟和动画植物生长是植物建模中的关键问题，它包括对植物生长规律的模拟和动画。
植物生长的模拟可以基于生物学规律和物理规律，采用数学模型和计算机算法实现对植物生长过程的模拟。
植物生长的动画可以利用计算机图形学技术实现对植物生长过程的可视化和动态表现。
植物建模的基本方法植物建模的基本方法包括参数化建模、L系统建模、体素建模等。
1. 参数化建模参数化建模是一种常用的植物建模方法，它将植物的形态特征和生长规律转化为数学参数，并利用这些参数实现对植物形态的模拟和可视化。
参数化建模的优点是灵活性高，可以根据需要对植物的形态进行调整和变化。
参数化建模的方法包括基于规则的参数化建模、基于数据的参数化建模等。
2. L系统建模L系统是一种用于描述植物形态的形式化语言，它基于植物生长规律，通过规则的迭代生成植物的形态结构。
L系统建模的优点是能够准确描述植物的生长过程，模拟真实植物的形态特征。
L系统建模的方法包括确定性L系统建模、随机L系统建模等。
3. 体素建模体素建模是一种基于体素的植物建模方法，它将植物的形态和结构表示为三维体素格子，并利用体素格子的排列和连接关系实现对植物形态的模拟和可视化。
《自然生长状态下植物叶片特征提取与识别方法研究》范文
《自然生长状态下植物叶片特征提取与识别方法研究》篇一一、引言随着科技的不断进步，植物学研究逐渐与计算机视觉、图像处理等跨学科领域结合，推动了植物叶片特征提取与识别技术的迅速发展。
叶片作为植物的基本构成单元，其特征蕴含了丰富的生物学信息。
本文将探讨自然生长状态下植物叶片特征提取与识别的方法，分析并优化当前的研究策略。
二、自然生长状态下植物叶片特征分析1. 叶片的形态特征：自然生长状态下的植物叶片形态各异，包括形状、大小、边缘轮廓等。
这些形态特征是植物分类和识别的重要依据。
2. 叶片的纹理特征：叶片的纹理特征反映了叶片表面的微观结构，如叶脉分布、细胞排列等。
这些特征对于植物种类的区分具有重要意义。
3. 叶片的光谱特征：叶片的光谱特征包括其反射和吸收的光谱信息，反映了叶片的化学成分和生理状态。
这些信息在植物生态学和农学等领域具有重要应用价值。
三、植物叶片特征提取方法研究1. 基于图像处理技术的特征提取：通过图像处理技术，提取叶片的形态、纹理等特征。
例如，使用边缘检测算法提取叶片边缘信息，使用纹理分析算法提取叶脉分布等。
2. 基于光谱分析的特征提取：利用光谱仪器获取叶片的光谱信息，分析其反射和吸收的光谱特征。
这些特征可以用于植物的种类识别、病虫害诊断等。
3. 深度学习在特征提取中的应用：近年来，深度学习在植物叶片特征提取中发挥了重要作用。
通过训练深度神经网络，可以自动学习并提取叶片的高维特征，提高识别的准确性。
四、植物叶片识别方法研究1. 基于传统机器学习算法的识别方法：利用已提取的叶片特征，结合传统机器学习算法（如支持向量机、随机森林等）进行识别。
这些方法在特定条件下具有较高的识别率。
2. 基于深度学习的识别方法：利用深度神经网络对叶片图像进行端到端的识别。
通过训练大量的图像数据，深度神经网络可以自动学习和提取有效的特征，实现高精度的植物叶片识别。
五、实验与分析本文通过实验验证了上述方法的有效性。
实验数据集包括多种自然生长状态下的植物叶片图像和光谱信息。
虚拟植物模型的原理和应用
虚拟植物模型的原理和应用1. 虚拟植物模型的概述•虚拟植物模型是一种计算机生成的模拟植物的方法，通过数学算法模拟植物的形态、生长和发展过程。
•虚拟植物模型可以用来研究植物的生长规律、优化农业种植方式、设计景观、进行影视特效等领域。
2. 虚拟植物模型的原理2.1 植物生长算法•虚拟植物模型基于植物的生长规律和形态特征，使用一些数学算法来模拟植物的生长过程。
•常用的植物生长算法包括L-系统、物理模拟和基于规则的模型等。
2.2 L-系统•L-系统是一种基于字符串替换的形式文法，被广泛用于模拟植物的分枝和分叶过程。
•L-系统的基本思想是通过不断地对字符串进行替换，生成一个描述植物形态的字符串序列。
2.3 物理模拟•物理模拟是一种基于物理规律的模拟方法，可以模拟植物的生长过程中的力学和生物力学行为。
•物理模拟可以根据植物的力学特性模拟植物的弯曲、拉伸、压缩等行为，以及叶片的伸展和摆动等行为。
2.4 基于规则的模型•基于规则的模型是一种根据植物的生长规则，通过一些逻辑规则来模拟植物的生长过程。
•基于规则的模型可以根据植物的发育阶段、环境因素等来调整植物的生长方向、分支形态、叶片形状等特征。
3. 虚拟植物模型的应用3.1 农业种植优化•虚拟植物模型可以模拟不同种植方式下植物的生长情况，帮助农民优化种植策略，提高产量和品质。
•通过模拟植物的水分、光照、温度等生长环境条件，可以预测不同环境下植物的生长状况，指导农民的种植决策。
3.2 景观设计•虚拟植物模型可以模拟不同植物在特定环境下的生长情况，帮助景观设计师进行植物选择和布局规划。
•通过模拟植物的生长过程和形态特征，可以生成逼真的虚拟植物模型，帮助人们更好地了解和展示植物的魅力。
3.3 影视特效与游戏设计•虚拟植物模型在影视特效和游戏设计中有广泛的应用。
•虚拟植物模型可以用来创建奇幻、科幻世界中的植物，增强影视特效的真实感和视觉效果。
•在游戏设计中，虚拟植物模型可以模拟植物的生长和变化过程，为玩家提供更丰富的游戏体验。
风场作用下的动态森林场景的实时仿真
第19卷第3期2007年3月计算机辅助设计与图形学学报JOURNAL OF COMPU TER 2AIDED DESIGN &COMPU TER GRAPHICSVol 119,No 13Mar 1,2007收稿日期:2005-00-00;修回日期:2005-00-001基金项目:国家“九七三”重点基础研究发展规划项目(2002CB312101);国家自然科学基金创新群体基金项目(60021201);浙江省自然科学基金(Y105269)1宋成芳,男,1978年生,博士研究生,主要研究方向为植被建模、基于物理的动画、实时绘制1谈奇峰,男,1982年生,硕士研究生,主要研究方向为植被建模、大规模场景绘制1张 龙,男,1981年生,博士研究生,主要研究方向为实时绘制、计算机动画1龚 怿,女,1982年生,硕士研究生,主要研究方向为实时绘制、全局光照1陈 为,男,1976年生,博士,副教授,主要研究方向为可视计算、实时图形1彭群生,男,1947年生,博士,教授,博士生导师,主要研究方向为计算机真实感图形、虚拟现实、生物计算、红外成像仿真、多光谱信息融合、计算机动画、科学计算与信息可视化1风场作用下的动态森林场景的实时仿真宋成芳 谈奇峰 张 龙 龚 怿 陈 为 彭群生(浙江大学CAD &CG 国家重点实验室 杭州 310058)(chenwei @cad 1zju 1edu 1cn )摘要 为真实地模拟树在风中摇曳的动态效果,将风场视为一个随机过程(场),利用谱分析的方法生成给定条件下的风速矢量场;进而采用简化的动力学方程,实时计算风力作用下树的位移和形变1采用一种混合式几何和图像的表示方法对树木进行参数化建模,并在模型中内建多个细节层次,以便加速场景视点相关的绘制1综合以上算法的交互式漫游系统能实时地模拟包含数千棵树的森林场景在风场作用下的动态效果,初步满足了虚拟现实、战场仿真与数字娱乐等应用的要求1关键词 森林;自然场景;风场;实时绘制;计算机动画;基于物理的建模;仿真;虚拟现实中图法分类号 TP39119R eal 2time Simulation of Dynamic Forest Scene in the WindSong Chengfang Tan Qifeng Zhang Long G ong Y i Chen Wei Peng Qunsheng(S tate Key L aboratory of CA D &CG ,Zhejiang U niversity ,Hangz hou 310058)Abstract Real 2time rendering and interactive simulation of dynamic forest scenes remain a challenging is 2sue in computer graphics 1In this paper ,we propose a physically 2based scheme for the simulation of dynamic forest in the wind in real 2time 1We model the natural wind as a stationary stochastic process Πfield adhering to the principles of Wind Engineering and generate it by power spectrum analysis and synthesis 1To reduce the computation and memory consumption ,we adopt a hybrid geometry 2image representation to model the ap 2pearance and geometry of trees faithfully and efficiently 1We achieve the motion of trees driven by the wind force using simplified dynamical equations ,which guarantees visual plausibility 1In addition ,three types of LOD are exploited to improve the performance of the whole scene ,by adapting the complexity of tree mod 2el ,motion of branches and the wind field according to visual importance in these aspects 1Finally ,we simu 2late a middle 2scale forest scene containing thousands of animated trees by our approaches 1The result demon 2strates that the proposed scheme is effective and practical for the interactive applications such as VR and videogames 1K ey w ords forest ;wind field ;real 2time rendering ;animation ;physically 2based modeling ;simulation 在计算机图形学领域,大规模自然场景的建模与绘制是一个重要的研究课题,它在虚拟现实、飞行模拟、战场仿真与视频游戏等方面有着广泛的应用1同时,对动态自然场景,特别是动态森林场景的模拟也一直是一个具有挑战性的课题,其主要原因就在于植被形态上的多样性和结构上的高度复杂性1近年来,计算机硬件和图形学算法,特别是可编程图形卡的快速发展为实现动态森林场景的模拟提供了契机,而虚拟现实、计算机动画和视频游戏等应用又对其提出了更高的要求:1)树的模型与表示具有三维几何结构信息,能产生任意的提供不同距离和视角下的视差,能够用于基于物理的变形计算;2)模型包含足够多的细节,以获得真实感较强的画面效果;3)由于外力如风场等的作用,场景是动态变化的;4)具有足够高的处理速率,不显著地影响实时性与交互性1目前,对森林场景的建模表示已有大量工作1在森林场景中,人们最为关注的景物是树木1树的造型表示方法主要分为基于规则和基于图像的2大类1基于规则的建模和表示方法如L2系统等[123],能利用简单的规则生成复杂的植物模型,在生成效率上具有优势,但难于控制全局特性,得出一组合乎需要的规则和参数的过程较为烦琐1基于图像的方法则从图像中提取信息来表示树[426],可获得逼真的视觉效果,但没有显式地恢复枝干的三维几何,不能直接进行几何编辑,也不具备变形计算所需的几何信息1在树与森林的动画方面,人们也进行了广泛的研究1对于树的动态模拟主要有过程式和基于物理的2类方法1过程式的方法一般采用经验公式计算树的位移[627],效率较高,但需反复试验才能得出适宜的公式,从而获得较为真实的运动效果,这不利于处理包含树模型较多的森林场景1基于物理的方法通过求解力学方程得到树的形变[8211],如吴恩华等曾采用非线性力学方程组和波动方程来求解整棵树的变形[10],能获得较为真实的模拟效果,表现出一定的物理性态;但变形计算开销很大,难以对多个模型同时进行实时计算1风场常作为引发动态变化的外力之源1一般采用计算流体力学的方法来模拟风场,如Wejchert等[12]曾用N2S方程计算简单的线性化流来合成风场;Wei等[13]则用Lattice2Boltzmann模型来计算风场1这些方法强调风场的流动特性,而对其力学性质和随机性质未作足够的表述1针对上述不足,本文提出了一种动态森林场景的实时仿真方法1针对树木的层次结构,采用一种混合式几何和图像的表示方法对树木作参数化的建模,在模型中嵌入树的各个部件不同分辨率的表示;为真实模拟树在风中摇曳的动态效果,我们从工程力学的角度将风场当作一个各态历经的平稳随机过程(场),利用风速功率谱和相关函数来真实地模拟风速的方向和大小1同时,依据简化的动力学方程计算出树在风力作用下的形变1最后,我们开发了一套模拟动态森林场景的交互式漫游系统,以验证本文方法11 参数化的树木建模大规模森林场景可能包含成千上万棵树,为了在建模和绘制的效率与最终的外观质量之间取得良好的平衡,我们采用一种几何与图像相结合的混合式模型表示方法对树建模1一棵树的基本支撑结构(枝干系统)采用几何来造型;局部细节(树叶、树皮)则通过纹理映射由图像表达1同时,我们对树的部件分别做了多分辨率的表示,并在模型中内建了细节层次(level of detail,LOD)1111 树的混合式几何和图像的表示概念上,树可被分解为3种元件:枝条(包括主干)、叶簇和枝片1枝条决定一棵树的整体外形,使用几何数据进行表示1枝条的几何由一系列参数来控制和描述,这些参数的定义类似于文献[3]1由于树的枝干系统具有天然的层次结构,我们以层次化的形式来管理和生成爪条,一个层次或级别的枝条由同一个参数集控制1图1所示为本文方法建立的枝股层次结构1图1 树的枝干系统的层次结构树叶是一棵树中数目繁多且形态多样的部分,如果对树叶逐片进行几何造型,将耗费巨大的空间和计算量1我们将空间上相邻的多个叶片及连接它们的细枝合并,形成一个叶簇,以Billboard表示1这种方法能显著地减少模型的面片数量1叶簇的初始位置依据叶子在枝条上的植物学分布规律得到1进一步地,我们利用枝片来简化枝条的几何表示,即采用一种基于图像的枝条细节表示方式1我们以一个可变形、由枝条中心线扩展而成的四边形条带来表示枝条及其子枝,枝片外观用预计算的枝片纹理表现1这种方法既减少了所需的面片数,又能获得更多细节1图2所示为枝片表示的示意图1通常,对于棕榈类的树,枝片是极其有效的表示方法1423计算机辅助设计与图形学学报2007年图2 枝片的表示方法图3 树的多分辨率表示112 树模型的多细节层次表示由第111节提出的混合式表示获得的模型未构成一个连续的网格,如使用传统的网格简化方法来生成细节层次则难以取得理想的结果1在建模的过程中,我们对不同部件采用不同的策略,分别建立了多细节层次的表示1由于单根枝条的几何表示已较为简单,对枝干系统作简化时我们只需减少枝条的数目1如图1所示,枝干系统按级别组织成一个层次结构,当细节层次由细变粗时,低分辨率的表示作为前一分辨率表示的简化版本,从该层次结构的高级往低级去除若干枝条1此时,需综合考虑枝条的长度和半径2个因素1一方面,长的枝条伸展较远,对整体外形的影响更大;另一方面,粗大的枝条则能给予画面更大的视觉贡献1因此,我们采用枝条的近似体积作为剔除标准,这样可使树的外形轮廓在LOD 变换中的变化最小1对于表示叶簇的Billboard ,我们采用了类似于叶片合并与分裂[14]的方法来处理层次细节之间的过渡1当细节层次变粗时,距离小于一定阈值的相邻2片Billboard 合并成为一个大的Billboard ;同时,纹理也作相应的调整1这一过程能使整棵树叶的覆盖样式和范围在LOD 变换中的变化最小1图3a 所示为叶簇的多分辨率表示及其更替,图3b 所示为一棵树的3个细节层次12 树的动态模拟我们采用风工程的方法对风场进行模拟,以表现其力学特性和随机性质;再对位于风场中的树作受力分析并计算其形变,以实现风场作用下的森林场景的动态模拟1尽管对树的形变进行精确的预计算能获得更逼真的效果,但考虑到在虚拟现实等应用中动态模拟的交互性与实时性更为重要,我们采用简化的物理方程来逐帧计算树的形变1211 物理真实风场的构建一般情况下,树是一种固定结构,它在风中的受力情形与建筑物受风力作用的情形较相似,因此我们采用结构动力学和风工程领域中常用的风场表示方法———随机过程的方法对风场进行建模1空间中流动的风有3个相互垂直的速度分量[15],即平均风速方向为作顺风向U 、横风向V 、竖风向W 1其中,顺风向为主要风向,由平均速率和脉动分量2部分构成,横风向和竖风向只有脉动分量,空间中一点Q (x ,y ,z )在t 时刻的风速表示为U (Q ;t )= U (z )+u (Q ;t )V (Q ;t )=v (Q ;t )W (Q ;t )=w (Q ;t ),其中, U (z )为平均速率1脉动分量u (Q ;t ),v (Q ;t )和w (Q ;t )是均值为零的随机变量,大体上服从正态分布,可近似作为各态历经的平稳随机过程1在实际应用中,通常将它们离散化,在频域空间以互谱密度矩阵(cross 2power spectrum density matrix ,CPSDM )描述其随机性质1CPSDM 定义为S ε(ω)=S ε1ε1(ω)S ε1ε2(ω)…S ε1εn (ω)S ε2ε1(ω)S ε2ε2(ω)…S ε2εn (ω)…………S εn ε1(ω)S εn ε2(ω)…S εn εn(ω),其中,ε=u ,v ,w ,对角线上的元素为自谱密度,非对角线上的元素为互谱密度,其表示为(ω为角频率)S ε1ε2(ω)=S ε1ε1(ω)S ε2ε2(ω) Coh (Q 1,Q 2;ω)(1) 自谱密度可由积分形式精确表述,但在工程应用中,一般采用经验公式来近似计算;依实际应用情形,公式在形式和系数上略有差别1我们推导了5233期宋成芳等:风场作用下的动态森林场景的实时仿真一个统一的表达形式S εε(ω)=U 23A εfγ(ωΠ2π)[1+B εf α]β(2)其中,f =ωz Π2π U (z )为Monin 坐标,A ε,B ε,α,β和γ是一组无量纲系数1在试验中,我们测试了文献中所有可用的表达形式和系数,选定了对树模型的变形计算适用的形式和系数组1只考虑单个脉动分量内部的空间相关性,则相关函数表示为Coh (Q 1,Q 2;ω)=exp -ω∑r C r ε|r 1-r 2|π[ U (z 1)+ U (z 2)](3)其中,ε=u ,v ,w ;r =x ,y ,z ,系数C r ε为指数衰减系数, U (z 1), U (z 2)分别为两点上的平均速率1计算出CPSDM 之后,采用随机过程的数值算法可求得脉动分量在时间上的序列,从而合成得到各点上不同时刻的风速矢量1我们将森林地面上方的空间划分为均匀分布的方格,且认为单个方格内具有相同的风速,相应的风力由F (Q ;t )=12ρ‖T ‖・TT =(U ,V ,W )(4)计算1其中,ρ为空气密度1212 树在风中的受力分析与变形计算我们先构建一个三维风速场,根据树模型各个部件的空间位置获取相应的风速信息,以此计算所受的风力;然后分析各部件的受力状态,计算各部件产生的位移和偏转1我们采用角弹簧模型来模拟枝条在风中的运动1如图4a 所示,一根枝条分为若干段,段与段之间以角弹簧连接,假设每段在风力作用下仅绕着下端节点偏转而不绕中心轴扭转1考虑枝条第i 段的受力情况,设其长度为l ,中轴方向为Z i ,则所受风力矩为τw =l Z i ×F (5) 在此力矩作用下,枝条小段将产生一个空间中的偏转角Ω,根据便于控制和绘制的需要,将其分解到2个更直观的方向Z i -i 和n o 上,其中n o =Z i -1×Z i ,如图4c 所示,即绕Z i -1转动角φ,绕n o转动角θ1此时,角弹簧模型变成一个复合系统,其状态由2个振动方程表征,即m ¨φ+c φ+k φ=τw ・Z i -1,m ¨θ+c θ+k θ=τw ・no(6)其中,m ,c ,k 分别为质量,阻尼系数和刚度系数,可由树的几何模型及相应属性推算得出1我们采用改进的欧拉法来解式(6),得出2个角度值1该方法求解精度不高,但能满足动画变形计算的要求,而它在效率上的优势能够让整个动态场景得以较高的帧率进行重绘1图4 枝条的变形过程对于树叶,我们采用过程式的方法来进行合成运动1当枝条发生形变时,叶簇跟随枝条运动1此外,叶簇自身还绕其“悬挂点”作振荡性摆动,其摆幅和周期依所受风力而定13 实验结果我们利用Open G L 210对GPU 的可编程功能实现了风场作用下的动态场景的实时模拟1实验的测试平台为一台配备Intel P Ⅳ214GHz CPU ,512MB 内存,A TI Radeon 9800图形卡的台式机1下面分4个部分描述我们的实验1311 树木的建模我们开发了一个参数化的树建模工具1为保证模型的多样性,该系统提供了5组参数,分别用于描述树的几何外形、LOD 控制及力学属性等1实际建模时,大部分参数可使用缺省值,用户只需调整少量参数即可获得所需模型1系统生成的树木模型通常只包含2000～4000个三角面片,比用纯几何造型方法表示的模型数据量要小得多1而由于使用了基于图像的方法表示外观,模型仍具有很高的真实感1312 风场计算经分析比较,文献[16]中提出的钝模型(Blunt model )适合于森林场景的风场计算1设置自谱密度S εε(ω)所用的3个系数分别为α=1,β=5Π3,γ=1,其余系数对不同的脉动风速分量有不同的取值1我们将地面上的空间划分为100×100的方格,取各个方格的中心点作为风速计算点,计算一帧风速矢量场的时间平均为50ms ,1000帧的场景风力623计算机辅助设计与图形学学报2007年的数据量约为144MB 1为减少实时计算量、腾出更多的实时资源给动画生成部分,我们对风场作预计算并存储数据,在变形计算时调用1313 单棵树的形变计算根据枝干的层次结构,我们从高级(末端)枝条开始逐级逐段计算偏转角,再将低级枝条的偏转传递到高级枝条,拼合得到整棵树的形变1图5所示为一棵树在变形计算中的若干帧,这棵树有39根枝条、共186段进行了变形计算,计算一次形变的时间约为12～20ms1图5 单棵树的形变序列314 森林场景的实时动态模拟图6所示为风场作用下的动态森林场景的画面效果1场景中包含5大类、共3000棵左右不同形态的树模型,所需内存约为260MB 1在绘制过程中,我们采用阴影图法实现了动态阴影1在我们的测试平台上,图像分辨率为1024×768,平均绘制速度达到25帧Πs 1除采用视域裁剪与剔除等加速技术之外,模型内建LOD 的使用对于整体效能的提升有显著贡献1图6 包含多种树的动态森林场景4 结论与展望本文提出了一种实时模拟风场作用下的动态森林场景的新方法1我们采用一种几何与图像相结合的混合式表示方法,参数化地建立树模型1为了模拟风吹树动的效果,我们从工程力学的角度将风场作为一个随机过程(场),利用谱分析方法对风速矢量场进行计算,然后依据简化的动力学方程计算树在风力作用下的位移和形变1相对于传统的森林场景模拟方法,本文方法在质量和效率之间取得了很好的平衡,能够满足虚拟现实、飞行模拟、战场仿真与视频游戏等实时应用的多项要求1今后我们将研究更为有效的风场模型,以便进行实时的风场计算1同时,我们还将研究树对风场的反作用,进一步提高场景的真实感(包含草地等)和绘制性能17233期宋成芳等:风场作用下的动态森林场景的实时仿真参 考 文 献[1]Prusinkiewicz P,Lindenmayer A1The algorithmic beauty ofplants[M]ΠΠNew Y ork:Springer,1990[2]de Reffye P,Edelin C,Francon J,et al1Plant models faithfulto botanical structure and development[C]ΠΠComputer Graphics Proceedings Annual Conference Series,ACM SIGGRAPH, New Y ork,N Y,1988:151-158[3]Weber J,Penn J1Creation and rendering of realistic tree[C]ΠΠComputer Graphics Proceedings Annual Conference Series, ACM SIGGRAPH,Los Angeles,CA,1995:119-128[4]Shlyakhter I,Rozenoer M,Dorsey J,et al1Reconstruction3dtree models from instrumented photographs[J]1IEEE Comput2 er Graphics and Applications,2001,21(3):53-61[5]Alex R,Ignacio M,G eoge D1Volumetric reconstruction and in2teractive rendering of trees from photographs[J]1ACM Trans2 actions on Graphics(SIGGRAPH Conference Proceedings), 2004,23(3):720-727[6]Sakaguchi T,Ohya J1Modeling and animation of botanical treefor interactive virtual environment[C]ΠΠProceedings of the Sym2 posium on Virtual Reality Software and Technology(ACMΠVRST99),London,1999:139-146[7]Ota S,Tamura M,Fujimoto T,et al1A hybrid method for re2al2time animation of trees swaying in wind fields[J]1The Visual Computer,2004,20(10):613-623[8]Shinya M,Fournier A1Stochastic motion2motion under the in2fluence of wind[J]1Computer Graphics Forum,1992,11(3):119-128[9]Stam J1Stochastic dynamics:Simulating the effects of turbu2lence on flexible structures[J]1Computer Graphics Forum,1997,16(3):159-164[10]Wu EH,Chen YY,Tao Y,et al1Reconstruction and physical2ly2based animation of trees from static images[C]ΠΠProceedingsof Eurographics Animation Workshop,Italy:Springer,1999:157-166[11]G iacomo T D,Capo S,Faure F1An interactive forest[C]ΠΠProceedings of Eurographics Workshop on Computer Anima2tion and Simulation,Manchester:Springer,2001:65-74 [12]Wejchert J,Haumann D1Animation aerodynamics[J]1Com2puter Graphics,1991,25(4):19-22[13]Wei X M,Zhao Y,Fan Z,et al1Blowing in the wind[C]ΠΠProceedings of SIGGRAPHΠEurographics Symposium on Com2 puter Animation,San Diego,California,2003:75-85[14]Zhang X P,Blaise F1Progressive polygon foliage simplification[C]ΠΠPlant Growth Modeling and Applications,Beijing,2003:217-230[15]Simiu E,Scanlan R H1Wind effects on structures:an introduc2tion to wind engineering[M]ΠΠThe2nd Ed,New Y ork:JohnWiley&Sons,1985[16]Tieleman H W1Universality of velocity spectra[J]1Journal ofWind Engineering and Industrial Aerodynamics,1995,56(1):55-69(上接第322页)[12]Jin H,Favaro P,Soatto S1Real2time32d motion and structureof point features:front2end system for vision2based control andinteraction[C]ΠΠProceedings of the IEEE Conference on Com2 puter Vision and Pattern Recognition(CVPR),South HiltonHead Island,2000:986-992[13]Zeng Fenfang,Liang Bolin,Liu Zhen,et al1An interactive en2vironment design based on digital glove[J]1Journal of Imageand Graphics:A,2000,5(2):153-157(in Chinese)(曾芬芳,梁柏林,刘 镇,等1基于数据手套的人机交互环境设计[J]1中国图象图形学报:A版,2000,5(2):153-157) [14]Li Qi,Bai Y ingcai,Zeng Fenfang1Implementation of a virtualhand prototype[J]1Journal of Shanghai Jiaotong University,1999,33(11):1377-1380(in Chinese)(李 琪,白英彩,曾芬芳1一个虚拟手原型的实现[J]1上海交通大学学报,1999,33(11):1377-1380)823计算机辅助设计与图形学学报2007年。
三维可视化技术论文：三维可视化技术在林业中的应用研究进展
三维可视化技术论文：三维可视化技术在林业中的应用研究进展目前三维可视化技术已广泛应用于林业，从简单的林木三维建模到辅助进行林分空间结构合理化提供了一种全新的森林生产经营理念和方式.现主要介绍在林业中最常见和最重要的应用方式.林木可视化化技术在林业应用中的基础.结合森林空间结构特征信息，可为森林经营决策提供可视化的、精准的决策标准.反演成具体的林木空间形态，采用光照、纹理、渲染等手段绘制林木图像.20世纪70年代诞生的分形几何学仍是目前林木三维可视化的主要理论依据.根据所选的分形造型的模型不同，可将产生林木分形图像的方法分为3种：基于l-system 的分形图形、迭代函数系统ifs方法及粒子系统模型方法［11,12］.分形理论的应用大大缓解了林木结构和生长复杂性给模拟带来的困难.l-系统( l-system) 是美国生物学家aristid lindenmayer于1968年提出的，指用形式语言的方法来描述植物形态的发生和生长过程.1990年清华大学郑卓嘉等率先使用l-system理论生成树木的三维逼真图形，随后，北京林业大学的郝小琴等也通过此算法，提出了与林业结合的dol算法.迭代函数系统ifs（iterated function system）是hutchison(1981)和bamsley(1985)提出并发展起来的一种研究分形集的数学方法.ifs是以仿射变换为框架，根据几何对象的整体与局部具有自相似结构，将总体形状以一定的概率按照不同的仿射变换迭代下去，直至得到满意的分形图形.粒子系统方法是1983年reevs提出的一种模拟不规则模糊物体的方法.其基本思想是采用许多形状简单的微小粒子( 例如点、小立方体、小球等) 作为基本元素来表示自然界不规则的模糊景物如粒子的产生、运动与死亡，模拟景物的动态变化.2004年雷蕾等基于粒子系统思想提出了一种基于能量模型的叶片纹理构造算法，不仅提高了模拟叶片的真实性，也避免了传统纹理贴图带来的复杂性和局限性可以看出可视化对研究森林这样复杂的生态系统来说是必不可少的.林木可视化为森林三维可视化系统提供了基础的模型.利用生长模型可以快速地模拟林分生长状况，为选择合理的竞争指标和应用不同的方法来建构竞争指标提供了依据；林火模拟能够有效地避免和减少火灾带来的灾害，同时结合通视域分析等信息可以建立合理的防火设施；空间格局的研究是和森林经营管理结合最紧密的应用方式，值得注意的是，影响空间结构参数的计算公式大多与林木间距、胸径、相邻木角度、树高等因素有关.通过研究某一区域的林木生长状况，可以得出不同树种的冠—径和冠—高模型，从而可以通过树冠面积计算林木的胸径和树高；借助大比例尺遥感数据可获得林冠投影、树木间距等信息，评估林分空间格局，极大地减少了野外调查工作.林中，也可通过模拟选择最优的经营方式，避免经营失误带来的经济和环境的损失，减少林业工作者传统作业的工作量.随着计算机的进步和软件的不断开发，可视化在林业中的应用将会更为便利.如新发布的arcgis 10版本就着重增强了其三维可视化和分析能力，不仅可以在三维环境中调用二维分析工具并展现最终的二维分析结果，还新增加了26个分析工具，实现了真正的三维分析.其时态gis的功能也可用于对比不同时期的林分结构等.。
基于视频的树木运动信息提取和动画生成技术研究
（）树木运动信息逆 向提取模块 。主要负责视频 图像 的处 １ 理 ， 木骨架的提 取 以及树 木运动数 据的生 成 ， 生成的数据 树 将
输 入数 据 库 。
（）树木三维建模模块 ？主要 负责 渊用数据并根据所 得数 ２
据 生成 树 木 模 型 。
成儿何元素 ， 最终得到几何造型 。Ａｏ ｏ和 Ｋ ｎ 引入了 些 新 ｎ ｕｉ ｉ 的特征如枝条问的吸 引、抑制 以及枝条 角度统 汁上的变化 ， 对
・
２・
Ｃｏ ｐ ｔ ｒ Ｅｒ ｏ ０ ８ ｍ ｕ ｅ ａ Ｎ ．１ ２ ０ １
计算机 时代 ２ ０ 年 第 １ 期 ０８ １
・ｌ・
基于视频的树木运动信息提取和动画生成技术研究★
董 宇 ，谢 思超 ，董 天阳 ｆ 江工 业 大学软件 学院 ，浙江 杭 州 ３ ０ ２ ） 浙 １０３
摘 要 ：为 了快速 模 拟 树 木 在 风 中的 运 动 和 形 变 ， 出 了一种 基 于视 频 的树 木运 动 信 息 提 取 和 动 画 生成 方 法 ， 以 在 虚 提 可 拟 场 景 中快速 绘 制 具 有 动 态 效 果 的 三 维树 木模 型 该 方 法 首 先将 含 有 树 木 运 动 的视 频 转 化 为 多个 关键 帧 ， 以提 取 树 木 的
形态和运 动信 息， 并通过数据最 小二乘拟合方法计算 出其运动轨迹 ， 然后 对其进行三 维模型重建和运动模拟 。实验表 明，
该 方 法 可 以快 速 地 建 立 树 木 的 三 维模 型 ， 能 较好 地模 拟 树 木 的运 动 和 形 变。 并 关键 词 ：树 木 ；视 频 ；逆 向提 取 ；三 维建 模
０ 引 言
在 动 漫 产 品 中 ， 真 的树 木绘 制 效 果 在 虚 拟 场 景 中 占有 相 逼
林木生长模型及应用
林木生长模型及应用林木的生长对于森林资源的可持续利用和气候变化研究具有重要意义。
为了更好地理解和预测林木的生长过程，科学家们发展了各种生长模型。
本文将介绍林木生长模型的种类及其在林业管理和环境保护中的应用。
一、简介林木生长模型是一种数学模型，通过描述和预测林木的生长和发展过程，帮助我们理解林木生态系统的动态变化。
它可以基于林木的生物学特性、环境因素和管护措施等因素来推测林木的生长轨迹和生态系统的发展趋势。
二、林木生长模型的类型1. 统计模型统计模型是基于大量的观测数据和统计分析方法来建立的。
它通过分析林木的生长数据、环境因素和人为干扰等来研究林木的生长规律。
常见的统计模型有线性回归模型、非线性回归模型和广义线性模型等。
2. 生理生态模型生理生态模型是通过考虑林木的生理过程和生态环境的交互作用来建立的。
它基于对林木生理特性、光合作用、养分吸收和水分利用等过程的理解，预测林木的生长和发展。
典型的生理生态模型有森林动态模型、生理因子模型和光合作用模型等。
3. 过程模型过程模型是在理论基础上建立的，通过描述和模拟林木生长的各个过程来实现对整个林木生命周期的模拟。
它包括了从种子萌发到成年树的整个生长过程，并考虑了气候、土壤和种群动力学等因素。
过程模型能够提供详细的生长轨迹和动态变化，为林业管理和生态保护决策提供重要依据。
三、林木生长模型的应用1. 林业管理林木生长模型可以帮助林业管理者制定合理的抚育措施和采伐计划。
通过模拟林木的生长轨迹，可以预测不同管理干扰下林木的生长响应，并优化森林经营和资源利用。
此外，林木生长模型还可用于评估森林经营的效果和预测林木的稳定产量。
2. 气候变化研究气候变化对林木的生长和分布具有显著影响。
林木生长模型能够模拟林木对气候变化的响应，预测不同气候条件下林木的生长变化和物候期的转变。
这对于评估气候变化对生态系统的影响、制定气候适应策略和保护生态系统具有重要意义。
3. 生态环境保护通过模拟林木的生长过程和生态系统的发展，林木生长模型能够评估不同管护措施对生态环境的影响。
树木生长的模拟指导书
树木生长的模拟指导书一、目的1．熟悉树木生长方程性质；2．分析树木生长特点及生长规律3．掌握利用理论生长方程（Richards方程，Korf方程，单分子式，Gomperz方程等）拟合树木生长过程。
二、实验工具与资料实验工具：计算机及其统计软件（Statistics 6.0）。
实验资料：一株树木的胸径、树高、断面积和材积生长数据。
三、方法步骤树木的生长方程(growth equation)是指描述某树种(组)各调查因子总生长量y(t)随年龄(t) 生长变化规律的数学模型。
由于树木生长受立地条件、气候条件、人为经营措施等多种因子的影响，因而同一树种的单株树木生长过程往往不尽相同。
生长方程是用来描述树木某调查因子变化规律的数学模型，所以它是该树种某调查因子的平均生长过程，也就是在均值意义上的生长方程。
由于树木的生长速度是随树木年龄的增加而变化，即由缓慢—旺盛—缓慢—最终停止，因此反映总生长量变化过程的曲线是一个呈“S”形曲线的生长方程，从这条曲线上能明显看出有两个弯或3个阶段。
如果沿曲线的弯曲处作3条直线，以其相交处为界限，第一段大致相当于幼龄阶段，第二段相当于中、壮龄阶段，第三段相当于近、成熟龄阶段，如图11—1所示。
树木生长方程的特点为：(1)当t＝0时y(t)＝0。
此条件称之为树木生长方程应满足的初始条件。
(2)y(t)存在一条渐进线y(t)＝A，A是该树木生长极大值(如图11—1所示)。
(3)由于树木生长是依靠细胞的增殖不断地增长它的直径、树高和材积，所以树木的生长是不可逆的，使得y(t)是关于年龄（t）的单调非减函数。
(4)y(t)是关于t的连续且光滑的函数曲线。
1. 资料的收集和整理收集树木生长过程数据的最佳方法为树干解析（见实验十）。
资料的整理详见实验四和实验五。
2．树木生长方程的拟合树木生长方程作为描述林木大小随年龄变化的模型，可以反映树木生长的规律性。
生长方程是比较复杂的，有大量公式可以描述所观察的生长数据及曲线，总体上可划分为经验生长方程及理论生长方程两大类。
林木风倒动态模型的建立与分析
ｔ ａ ｂ ｌ ｉ ｓ ｈ ｅ ｄ ．Ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ｓ ｏ ｍｅ ｉ ｄ ｅ ａ ｌ ｉ ｚ ｅ ｄ ｈ ｙ ｐ ｏ ｔ ｈ ｅ ｓ ｉ ｓ ，ｔ ｈ ｅ ｔ ｒ ｅ ｅ ｗａ ｓ ｔ ｒ ｅ ａ ｔ ｅ ｄ ａ ｓ ａ ｍａ ｓ ｓ ｌ ｅ ｓ ｓ ｅ ｌ ａ ｓ ｔ ｉ ｃ ｓ ｔ ｉ ｃ ｋ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｄ ｙ ｎ ａ ｍｉ ｃ ａ ｌ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｂ ｏ ｕ ｎ ｄ ａ ｒ ｙ ｃ ｏ ｎ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｏ ｆ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ｗ ｅ ｒ ｅ ｏ ｂ ｔ ａ ｉ ｎ ｅ ｄ ．Ｃ ｏ ｎ ｓ ｉ ｄ ｅ ｉ ｒ ｎ ｇ ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｂ ｅ ｔ ｗｅ ｅ ｎ ｔ ｈ ｅ ｂ ｅ ｎ ｄ ｉ ｎ ｇ ｎ ｌ ｏ ｍｅ ｎ ｔ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｂ ｏ ｔ ｔ ｏ ｍ ａ ｎ ｄ ｗｉ ｎ ｄ， ｗ ｅ ｄ ｅ —
ｔ ｈ ｅ ｍｏ ｄｅ ｌ ｃ ａ ｎ ｐ ｅ ｒ ｆ ｅ ｃ ｔ ｌ ｙ ｍｅ ｅ ｔ ｉ ｎｉ ｔ ｉ ａ ｌ ｈｙ ｐ ｏ ｔ ｈｅ ｓ ｉ ｓ ａ ｎ ｄ ｒ ｅ ｑ ｕｉ ｒ ｅ ｌ ｅ ｓ ｓ ｃ ｏ ｍｐ ｕｔ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ． Ｆ ｒ ｏ ｍ ｔ ｈ ｅ ｎ ｕｍｅ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ ｒ ｅ ｓ ｕｌ ｔ ｓ ａ ｎ ｄ ｃ ｏ ｍｐａ ｒ ｉ ｓ ｏ ｎ ｂｅ ｔ ｗｅ ｅ ｎ ｔ ｈ ｅ ｓ ｅ
摘
要 ：基 于一 些理 想化 的假 设 ，将 林 木 简 化 成 一 根 无 质 量 弹 性 杆 连 结 ，给 出林 木 的 动 态 微 分 方 程 以及 模 型 边 界 条
件 ，考虑树 干底 部弯矩和风力的关 系，描述树干底部 弯矩 和风力关 系的物理 意义 ，推导 出无 阻尼和 有阻尼情 况下林木 的简 化动 态模型 ，最后给 出位 移的计算表达式。数值仿真 结果表 明该模 型能足 够好 的满足初 始假设 ，且计算量 小。从 数值 结果
植物生长的模拟与预测
植物生长的模拟与预测植物生长是生物学研究的重点之一，也是农业生产的关键环节。
如何模拟和预测植物生长，对于精准农业和生物学研究都有很重要的意义。
植物生长模拟是指用计算机模拟植物生长的过程，从而获得植物的基本信息。
模拟植物生长的方法主要有两种：一种是物理模型，另一种是生长模型。
物理模型是指将植物生长的各个因素（如太阳辐射、水分、温度等）抽象为一组微分方程，并通过求解这些方程，模拟出植物的生长过程。
这种模型的好处是可靠性强，能够准确描述植物生长的基本规律。
但是，它需要大量的数据，并且有时会忽略某些因素，导致结果可能不够准确。
生长模型是一种更简单的方法，它将植物的生长过程分为几个阶段，每个阶段用一个简单的公式进行计算。
这种模型的优点是简单易懂，容易推广到不同的环境中。
但是，它有一定的局限性，只能用于特定类型的植物和环境。
据包括植物的物理结构、代谢过程、营养需求等。
这些数据可以从多个渠道获取，包括实验室试验、田间观测和电子采集等。
植物生长预测是指基于生长模型和相关数据，预测植物在特定环境下的生长状况。
这种预测方法可以用于农业生产中，帮助农民制定更精准的生产计划，减少生产风险。
植物生长预测的方法主要有两种：一种是基于模型的预测，另一种是机器学习的预测。
基于模型的预测是指根据植物生长模型和环境数据，计算出植物在特定环境下的生长状态。
这种方法的好处是基于科学的模型，可以得到较准确的结果。
但是，它需要大量的数据和专业知识，并且对误差和噪声的容忍度较低。
机器学习的预测是指使用机器学习算法和数据分析技术，预测植物生长的状态。
这种预测方法的优点是自动化程度高，适用于大规模数据处理。
但是，它需要大量的标注数据和算法调优。
包括白天和黑夜的温度、湿度、光照强度、二氧化碳浓度等。
总之，植物生长的模拟和预测对于农业生产和生物学研究都有很重要的意义。
通过不断积累数据和改进算法，我们可以不断提高预测的准确率，实现更精准的农业生产和生命科学研究。
林木生长模拟与预测
林木生长模拟与预测林木生长模拟与预测是一种重要的森林管理工具，它可以帮助我们理解林木生长的规律，预测未来的发展趋势，指导合理地进行林木管理和资源利用。
本文将介绍林木生长模拟与预测的基本原理、应用方法以及未来的发展方向。
一、林木生长模拟的基本原理林木生长模拟是通过建立数学或统计模型，模拟和预测林木的生长过程。
其基本原理是根据林木的生物学特性、环境因素以及人为干扰等因素的相互作用，建立数学模型来描述林木的生长规律。
常用的林木生长模型包括“杨模型”、“斯皮西亚模型”和“航天模型”等。
这些模型基于大量的实地观测数据和统计分析，可以通过对林木生长过程的定量描述，实现林木生长预测。
二、林木生长模拟的应用方法1. 数据采集与处理林木生长模拟需要大量的观测数据来支持模型的建立和验证。
首先，需要采集对林木生长有重要影响的环境因素数据，如气候数据、土壤水分数据等。
其次，还需要收集林木的生长数据，如胸径、树高、树龄等指标。
这些数据可以通过定期实地调查或利用遥感技术获取，并进行数据处理和统计分析，为生长模型的建立提供数据支持。
2. 模型建立与验证模型建立是林木生长模拟的核心环节，需要根据已有的数据和知识，选择适当的模型结构和参数。
建立好的模型需要进行验证，可以通过与实际数据的对比，评估模型的准确性和适用性。
在模型验证过程中，可以采用误差分析、相关性分析等方法来评估模型的拟合程度和预测效果。
3. 生长预测与决策支持通过建立的林木生长模型，可以对未来的林木生长进行预测。
这些预测结果可以为森林管理决策提供科学依据，如合理的采伐计划、造林方案等。
同时，还可以对不同管理措施的效果进行模拟，评估其对林木生长的影响，为优化林业管理提供决策支持。
三、林木生长模拟的发展方向1. 综合模型的发展目前，针对林木生长的模型大多只考虑了单一的影响因素，如光照、温度等。
未来的发展方向是将多个影响因素综合考虑，建立更复杂的模型，提高模型的准确性和预测能力。
三维植物叶片萎蔫变化实时模拟
对叶片形变的主导作用． 实验结果表 明， 该 方 法 能 够 较 好 地 模 拟 不 同 形 态 结 构 的 植 物 叶 片 的萎 蔫 变 形 过 程 ， 满 足 实
时交互的需要．
关键 词 ： 植物 叶片形态建模 ； Ｄｅ ｌ ａ ｕ ｎ ａ ｙ三 角 化 ； 物理模拟 ； 质 点一 弹簧模型 ； 叶片 变 形
第 ２ ５卷 第 １ １ 期
２ ０ １ ３年 Ｉ １月
计 算机 辅助 设计 与 图形学 学报
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｃｏ ｍｐ ｕ ｔ ｅ ｒ — Ａｉ ｄ ｅ ｄ Ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ＆ Ｃｏ ｍｐ ｕ ｔ ｅ ｒ Ｇｒ ａ ｐ ｈ ｉ ｃ ｓ
虚拟农业
虚拟植物技术20世纪60年代以来，随着虚拟现实技术的不断发展，虚拟植物的研究正逐步成为国内外农业研究的重点和热点，在此基础上发展起来的虚拟作物研究是目前作物模拟研究的前沿领域，具有重要的理论意义和广泛的应用前景。
虚拟作物是利用计算机模拟作物生长过程，获得植物生理生态和形态结构并行过程的综合结果，采用三维动画模拟作物的生长过程，并输出作物的形态生理参数及其相互关系，其主要特征是以作物个体为研究中心，以作物的形态结构为研究重点，建立三维模型以可视化的方式反映作物的形态结构和形成规律。
它利用虚拟现实技术、计算机图形学、作物生理学、作物生态学、作物栽培学等技术和理论建立数学模型，定量而系统地描述作物生长发育、器官建成和产量形成等生理生态过程及其与环境之间相互作用的数量关系。
在此基础上把实验或数值计算获得的大量抽象数据转换为人的视觉可以直接感受的计算机图形图像，从而建立作物形态的三维模型，并模拟作物在三维空间中的生长发育过程。
其研究的关键和难点是如何提取作物的几何形态和发育动态信息，建立基于过程的数学模型，进而在计算机上形成具有逼真的生育动态，并能反映作物随环境变化的可视化三维模型。
其核心部分是由作物三维生长模拟模型、作物知识模型和作物3D模型库三部分构成。
目前虚拟作物模型的研究表现为由简单到复杂、由静态到动态、由经验型到机理型的发展态势，从而为研究虚拟作物可视化技术提供了良好的技术支撑和应用前景。
虚拟作物研究的作用和意义可概括为以下几个方面:1)快速模拟作物的整个生长周期，不必用很长时间实地种植作物和观察分析。
2)可以获得作物生长过程中的各参数动态，为精确生长管理提供定量化依据。
3)结合现代生物技术，为作物株型设计和基因型改良提供指导。
4)使人们进一步加深对作物生理的研究和对作物生命的理解。
5)应用虚拟植物(农作物)生长技术在虚拟农田环境系统中进行虚拟实验，可部分替代在现实世界中难以进行或虽能进行但费时、费力、昂贵的试验。
林木的生长模型与技术
林木的生长模型与技术林木的生长模型与技术对于森林管理和木材生产至关重要。
通过了解和应用正确的生长模型和技术，可以有效地促进林木的健康生长和提高木材的质量与产量。
本文将介绍几种常用的林木生长模型和相关的技术手段，并探讨它们的应用和发展前景。
一、林木生长模型林木生长模型是描述林木生长变化的数学和统计模型。
它们基于对林木生物学特性和环境因素的研究，以预测林木的生长情况和发展趋势。
常见的林木生长模型包括直径生长模型、高度生长模型和体积生长模型。
1. 直径生长模型直径生长模型用于预测林木的胸径随时间的变化。
它通常基于树高和年龄等因素，采用模型拟合和回归分析的方法来确定直径生长的规律。
直径生长模型的应用可以帮助决策者制定合理的砍伐策略和收获周期，以达到最大化木材产量和经济效益的目标。
2. 高度生长模型高度生长模型用于预测林木树高随时间的变化。
它考虑到土壤和光照条件对林木生长的影响，通过观测和测量树高以及与环境因素的关联，建立数学模型来描述林木的高度增长规律。
高度生长模型对于森林管理和林木培育具有重要意义，可以帮助决策者选择适当的造林密度和树种组合，以优化林木的生长和森林的生态效益。
3. 体积生长模型体积生长模型用于预测林木的体积随时间的变化。
它结合了直径和高度等因素，通过测量和计算林木的体积，并建立相应的计量模型来预测林木体积的增长。
体积生长模型在木材生产和资源评估中具有广泛应用，可以帮助决策者管理林业资源，提高木材的产量和品质。
二、林木生长技术除了生长模型，还有一些相关的技术手段可以促进林木的生长和管理。
1. 植物营养与施肥技术植物营养与施肥技术是指通过适当的施肥措施来改善土壤的肥力，提供充足的养分供应以促进林木的健康生长。
合理施肥可以提高林木的养分吸收效率和免疫能力，降低病虫害的发生率，从而提高木材的产量和质量。
2. 林间栽培与间伐技术林间栽培与间伐技术是指在密度较高的林木中进行适当的修剪和疏伐，以减少林木间的竞争，改善林木的生长环境。
林木遥感监测与生长模型设计
林木遥感监测与生长模型设计林木遥感监测与生长模型设计引言：随着气候变化和人类活动的影响，林木生长和生态系统的健康状况成为了重要的关注点。
为了更好地了解和管理森林资源，林木遥感监测和生长模型的设计变得尤为重要。
本文将讨论林木遥感监测的原理和方法，并介绍生长模型的设计和应用。
一、林木遥感监测的原理和方法1. 遥感技术遥感技术是通过使用遥感卫星或飞机上的传感器捕捉地表特征的电磁辐射信息。
在林木监测中，主要使用的是光学遥感和雷达遥感技术。
光学遥感利用可见光和红外线波段的反射和散射特征来获取林木的信息，如叶面积指数、叶绿素含量等。
而雷达遥感则利用微波信号穿透植被来获取林木的结构和生理特征，如树高、干扰度等。
2. 数据提取回波数据与林木特征之间存在着复杂的关系，因此需要进行数据处理和特征提取。
常用的方法包括：影像分类、特征提取和数据融合等。
影像分类可以将不同类型的林木进行区分，如决定树木和草地、决定林木年龄等。
特征提取可以提取林木的形态和生理特征，如叶面积指数、树高等。
数据融合则是将不同传感器获取的数据进行整合，以获取更全面的林木信息。
3. 监测指标林木遥感监测的指标主要包括林木的数量、质量、空间分布和动态变化等。
这些指标可以用来评估森林资源的健康状况、经营管理的效果和生态环境变化等。
常用的监测指标有：树冠覆盖率、叶面积指数、生物量等。
二、林木生长模型的设计与应用1. 模型设计林木生长模型是基于林木遥感监测数据和环境因素来预测林木的生长状况。
模型可以分为经验模型和物理模型两种类型。
经验模型是根据大量的观测数据和统计分析得出的，可以用来描述林木生长的一般规律。
而物理模型则是基于植物生理和生理学原理建立的，可以用来模拟林木的真实生长过程。
2. 应用林木生长模型的应用范围非常广泛，可以用于森林资源管理、气候变化研究、生态保护等方面。
在森林资源管理中，模型可以用来评估林木的资源量和质量，制定合理的经营管理策略。
在气候变化研究中，模型可以用来预测未来的生态系统变化和碳循环过程。
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林业科学研究2008，21(增刊)：122～125Fores t R ese ar ch文章编号：1001—1498(2008)增：Ft l-0122-04基于生长规律与图像相结合的树木叶片动态模拟吴谦，张怀清+，陈永富(中国林业科学研究院资源信息研究所，北京100091)关键词：叶片；纹理；模型中图分类号：T P391文献标识码：AD yna m i c S i m ul at i on a bout T r e e Lea ves B ased on t he C om bi nat i on ofG r ow t h R e gul at i on and I m ageW U Q i a n，ZH A N G H uai—qi ng，C H EN yo增乒(R esear ch In st i t ut e o f F o r est R es o ur ce I n f orm at i o n Techni ques，CA F，B ei j i ng100091，C hi na)A bs t r act：Popul us l e a ves w e r e cho s en a8t he re s ear c h obj ect．A nd a new t r ee l eave s si m ul a t i on m et hod based on l e a ve s grow t h r e gul at i on and i m age w a s pr es ent ed．T he s i m ul at i on m et hod c oul d desc r i be t he change proce ss ofl am i na s hape．B es i des，t hi s m et hod had got a bet t er ef f ect a s i t cou l d cont r ol t he r eal—t i m e l ea f t ra ns m ut a t i on and kept t he r eal i t y of l e af shape．K ey w or ds：l am i na；t ext ur e；m odel虚拟树木生长是虚拟植物的一个研究方向，主要研究建立能体现其内在生理特征的生理生态模型和外在表现的可视化模型，是植物学家进行研究的重要工具。
虚拟植物生长的计算机建模与可视化仿真研究在农林业、景观设计或园林设计、虚拟实现、计算机动画、计算机教学等领域都有着广泛的应用前景。
以计算机为手段对植物生长进行建模与仿真，将为探索植物生长过程的规律，改善人类生存环境带来新的契机¨。
31。
目前国内外研究从计算机图形学角度出发对虚拟树木的可视化模型研究较多，主要用于景观设计及游戏场景的渲染，对于虚拟农林业的应用研究还不是很广泛。
有关叶片形态生态特征和叶生长规律研究多见于农作物和经济植物，而对于树木叶片的形态生态特征、生长规律研究较少，早期对叶片的研究，主要集中在叶片的外部形态、内部结构、叶分化以及光合生理有关的叶色素含量等H’6J。
树木叶片形态模拟是进行单株木整体可视化模拟的基础，是模拟树木在三维空间生长情况的重要条件之一。
目前叶片形态模拟主要是针对农作物的研究，采用的叶片形态模拟方法有数值拟合法"川o、透明背景贴图法旧1和数学描述法¨0|。
数值拟合法需要使用精密仪器采集植物空间数据，然后用样条插值法拟合叶片形态建立叶片静态模型；透明背景贴图法用含0【通道的小麦(Tr i t i cum sp．)叶片纹理贴图叶片空间模型完成模拟，采用复杂的叶片空间模型控制叶片变形；数学描述法是用经验公式近似描述叶形和叶缘波动现象。
但是对于模拟农作物少量的叶片来说，这些方法还是比较适用的，对于叶片繁多的树木，复杂的数学模型会大大降低虚拟树木的渲染效率。
本文所展示的叶片动态模拟结合了树木叶片的收稿日期：2007—12—16基金项目：中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目“基于虚拟环境的人工林可视化技术研究”；国家“十一五”科技支撑重点项目课题“综合监测技术体系集成与应用示范(2006B A D23806)”作者简介：吴谦(1984一)，女，河南沁阳人，硕士研究生，主要从事虚拟现实技术研究．+通讯作者：张怀清(1973一)，男，湖南宁乡人，副研究员，硕士生导师，主要从事林业可视化模拟技术研究．增刊吴谦等：基于生长规律与图像相结合的树木叶片动态模拟生长规律，采用Logi s t i c方程以及叶片生长异速模型，利用图像处理软件Phot os hop及D i r ec t X中关键色透明技术对采集的叶片纹理进行处理。
使用的编程语言是C#。
1实现步骤本文主要有以下几个步骤来描述叶子生命周期动态变化生长过程：(1)建立简单的模型由于所研究的叶子模型将用于树木模拟，对于复杂的模型并不适用于树木及大规模植物群落的表现，因此本研究采用简单的矩形作为叶子的基本模型。
(2)采集纹理并选择合适的贴图方式采集杨树(Popul us sp．)叶子进行拍照，并作为纹理数据保存下来。
对纹理进行预处理，保存为带有阿尔法通道的图像格式。
选择合适的纹理贴图方式。
通过一定的方法将图像调入到计算机的内存中，并提供访问此数据区域的手段。
(3)确定叶片模型的动态变化参数根据植物生长模型方程计算叶长，由所得叶长和叶片同速或异速生长方程求出叶宽，从而控制叶片模型的动态变化参数。
2模型的选取与建立‘一株植物所包含的叶片数量巨大，用复杂的叶片模型来详细表现植物叶片的真实情况时，计算机C P U的负担很重以至于难以达到理想的渲染效果。
对于未来作为对象放到大规模森林场景中使用的植物，如何能在保证需求的前提下用更少的点来表示叶片是很关键的。
只有在保证叶片真实的情况下采用最简单的模型，才能提高计算机的渲染效率。
因此，本文采用矩形作为叶片的基本模型。
表示方法如图1所示：图1叶片基本模型3纹理的采集和选择合适的贴图方式将杨树叶子放在白色背景下进行拍照，这样方便后面对形成的纹理文件进行处理。
经过拍照的叶子纹理存储在一个位图文件中，背景色为白色，前景是杨树叶子，通过该纹理文件可以清楚地看到叶子表面的细节，如图2(a)所示。
但是如果直接将叶子纹理贴在模型表面与树干共同描述一棵杨树时，叶子纹理的白色背景并不会消失，这显然有碍于一棵具有真实感树木的表现。
对于这种只含有R G B值的信息，不含O t信息的位图，为了使白色背景消隐，需要使用相关的图像处理工具对该位图进行处理，使其包含相应的d信息，如图2(b)所示。
在D i r ec t X中使用关键色透明技术，通过设置渲染状态A L PH A佟T E A B L E和参考值A L PH A R E F进行A l pha测试。
程序根据A l pha测试函数比较当前像素的A l pha值与A L PH A R E F的值，由比较结果决定是否绘制该像素，如果返回T R U E，则通过测试并绘制像素，反之则不予绘制。
对叶子纹理图像进行A l pha测试，然后将通过测试的叶子像素在屏幕上显示。
贴在模型表面的纹理经过A l pha测试后就仅剩下叶子本身，白色背景由于没有通过测试而在屏幕上消失，这样就达到了理想的状态，如图2(c)所示。
(a)原始纹理图像(b)经过处理包含a信息的图像124林业科学研究第21卷(c)经过A l pha测试，应用到单木的纹理图2经过不同处理的叶片纹理4叶片模型参数计算叶片生长不是孤立的，而是与树木生长具有一定的相关关系。
因此在虚拟植物中表现树木生长的同时，让叶片随着树木的变化规律发生相应的变化，能够体现叶子作为营养器官与树木之间部分与整体的关系。
目前，对于生物器官生长过程最经典的数学表达是呈S型曲线的L ogi s t i c方程，它能良好表达活体生物器官质量或生物物质积累的量化过程【11-15]。
叶片伸长是一个由慢到快再到慢的过程，符合L ogi s t i c方程。
因此可以根据L ogi st i c方程求出叶片在一定生长期内叶长的变化程度。
图3叶长与叶宽示意图树木叶生长发育具有规律性，可能是同速生长型，也可能是异速生长型∞J。
同速生长型主要表现在数量性状间的关系为直线函数形式，而异速生长型数量性状间关系为曲线函数形式。
G oul d把异速生长分为“简单的”异速生长和“复杂的”异速生长两大类。
前者符合Y=aX‘数学形式，其对数形式转化为l gY=kl gX+l ga线性形式；后者异速生长不遵守Y=a X‘数学形式。
用非线性回归分析，此种异速生长关系二次项系数显著，因而表现为曲线关系。
由于叶长度和宽度是叶片生长的基本量度，由两者量变化可以反映叶的生长规律(图3)，因此本文采用该文献建立的简单异速生长模型刻画叶片生长规律。
银白杨(Popul us al ba L．)叶片长度与宽度的异速生长模型如公式(1)所示∽o：Y=1．1328X(1)由L ogi st i c方程求出叶片在生长期内叶长的变化，对于异速生长模型来说，相当于石值确定，可直接代人生长模型Y=aX‘求出相应的l，值。
此时，叶片模型的大小就可以由x和y的值来控制，连续不断的X和l，值就是叶片在生长过程中的参数变化的过程。
其他叶片的生长可由同速生长模型Y=aX+b 或简单的异速生长模型y=ar来描述，模型中的各系数(如口，b，k)要通过实际的测量、调查来确定。
这些参数存储在统一的文件中，便于在生成不同种类的树木时调用相应的叶片生长模型和参数。
5实现与效果展示叶片生长的动态模拟是虚拟树木生长系统的一部分。
图4是本文介绍的叶片生长模型在虚拟树木生长系统中应用。
图4(a)为叶片在生长初期，叶面积较小的情况下每个叶片的模拟。
图4(b)为叶片生长中期，即叶片生长呈现较快增长速度时的情况。
图4(C)为叶片成熟以后，生长进入缓慢期时的效果。
图4不同生长时期内叶片的大小变化6结论与讨论本文介绍的图像与生长规律相结合的方式动态展现了树木叶片的生长变化。
通过生长模型求出叶片在不同时期内的参数，从而控制叶片基本模型的变换，很好地表现了叶子的生长过程。
由于采用了简单的叶片模型，使得对模型的控制容易实现。
该增刊吴谦等：基于生长规律与图像相结合的树木叶片动态模拟125方法已经应用于虚拟树木的系统中，提高了虚拟树木系统中的渲染效率，结合树木的生长过程，反映了树木生长变化的真实情况，取得了良好的显示效果。
该叶片模型可用于计算植物冠层的叶面积，具有实际的意义。
由于所采用的生长模型针对每一种树木的叶子，系数都是不同的，需要花费一定的时间去调查、统计分析来确定该系数的值，因而在日后的研究中应该考虑如何简化生长模型系数的确定过程或者使用其他更新、更适合的叶片生长模型来替代。