（重庆大学 计算机学院， 重庆 400044）
　　摘要：设计实现了基于L系统改进的虚拟植物可视化原型系统。该原型系统实现了微机平台上可视模拟植物生长，并取得了较好的试验效果。系统设计思想以植物可视外观展现为主要目的，结合了L系统和基于图像建模的优点，对植物器官的建模方法是基于能够反映植物器官主要特征的表面建模。其实现思路是在L系统所描述的植物拓扑结构的基础上,对预先定义好的植物器官网格面进行装配。与L系统相比较，有更好的外观效果和较低的时间复杂度。
　　关键词： 虚拟植物 ； L系统； 网格面
　　中图法分类号： TP391文献标识码： A
　　文章编号： 1001 3695(2006)08 0232 03
　　
　　Development Prototype of Virtual Plant Based on Improved L System
　　
　　LI Yun feng, ZHU Qing sheng, FU He gang, GU Ping
　　(College of Computer Science, Chongqing University, Chongqing 400044, China)
　　Abstract: A prototype of virtual plant based on improved L system is designed. The
　　platform can run well on personal computer, and achieved good visual result of simulating the growth of virtual plant. The method combines the characteristic of L system and the visual result of image modeling. To construct main stem and major branch based on L ystem, growing the remainder of the plant based on plant organs model of mesh. The proposedmethod reduced the complexity of L system, and resulted in realistic view of virtual plant.
　　Key words: Virtual Plant; L System; Mesh
　　自然植物计算机模拟一直是计算机图形学的研究热点。如何对植物模型进行有效的控制是亟待解决的问题：模型参数过少不足以表现植物复杂多样的各种特征；参数过多则可能导致模型过于复杂，实际应用困难。L系统是一种形式语言，其本质是一个重写系统，它通过对公理应用产生式进行有限次迭代后，对产生的字符串进行几何解释，就能生成非常复杂的图形。L系统侧重于植物拓扑结构的表达，具有坚实的数学理论基础、定义简洁、结构化程度高、易于实现等优点。但该方法无法预测植物的最终生成形状，对重写过程很难有效控制；同时L系统过于复杂，稍微复杂的植物其L系统规则提取困难。基于粒子的系统，如AMAP模型将地球上的植物归类为二十多个植物结构基本模型。对于某种植物，系统通过模式识别方法提取生长规则，进行定性分析，确定描述其结构的基本模型。在此基础上对植物结构进行定量化，应用几何方法表达其形态规律。
　　本文基于一种新的建模方法（称之为EasyL系统），该方法结合了L系统和基于图像建模方法的优点。其基本思路是对植物主干的分枝仍采用传统L系统建模，细节部分则采用植物器官网格面进行建模。系统利用L系统对植物主干建模表达能力强的优点，改进了单一采用L系统进行植物建模时，时间复杂度比较高以及对生成的植物外观可控性差的缺点。因此EasyL系统与经典L系统相比较，在时间复杂度上有较好的改善。在此基础上设计了一种基于L系统改进的虚拟植物可视化原型系统（VP1.0），满足了在机器配置比较低的情况下模拟植物的生长要求。
　　
　　1 EasyL系统
　　
　　EasyL系统结合了L系统和基于图像建模的优点，对植物器官的建模方法是基于能够反映植物器官主要特征的表面建模。例如，对于叶建模主要提取叶的正面轮廓图像；对于树干建模，主要提取树干的横截面形状，然后采用图形变换方法（如拉伸、扭曲等方法）。 EasyL系统优点主要有：①提高植物生长视觉效果。对于植物器官的建模是基于植物器官图像进行的，通过对能够反映植物器官特点的图像进行特征提取来生成植物器官图形符号，因此比L系统更加真实地反映了植物器官的特点，所以整株植物在视觉效果上优于L系统。②降低了时间复杂度。在L系统中，对时间复杂度要求高的就是L系统文法的迭代过程，其时间复杂度是呈几何级数增长的，因此在迭代步数较多的情况下，其时间复杂度是很高的。在EasyL系统中，将传统L系统对植物器官的细节部分的描述改为传统的基于表面的建模，有效地降低了系统的时间复杂度。
　　系统注重植物可视化重建的视觉效果，不是严格符合植物的生理模型。其实现思路是在L系统所描述的植物拓扑结构的基础上,对预先定义好的植物器官的网格面进行装配的过程，即植物器官建模过程是离散过程。系统采用L系统能使其连续化。
　　
　　2 VP1.0系统设计
　　
　　2.1 系统设计目标
　　VP1.0系统的设计目标是对EasyL系统进行建模实验，其设计目标应该能够满足以下基本要求：①系统必须能够满足多文档用户的要求，也就是该系统同时可以输入多株植物的EasyL系统文法，可以对多株植物进行显示。②系统应该能够提供友好的人机界面，让用户输入EasyL系统的文法，并可以进行文法的错误检查。③系统应该支持保存功能，即可以将EasyL系统的文法和输出的结果等进行保存。在需要时，可以重新调入系统。④系统应该可以提供植物器官模型的导入和设置功能，可以把植物器官的三角剖分网格面导入，可以对该植物器官名字进行更改，也可以对该植物器官进行模拟显示，并可以在三维空间里旋转，还能够更改该三角网格颜色的显示。⑤系统还应该能够对EasyL系统的字符进行设定，如设定rx字符表示绕 X 轴旋转。⑥系统应该能够对EasyL系统的各个演化过程后形成的最终字符串显示给用户，并且可以对EasyL系统的演变过程进行控制，设定EasyL系统演化的步骤及对上一个演化状态进行显示。⑦系统可以对EasyL系统演化后的最终字符串在三维空间中进行渲染。在渲染过程中可以通过输入摄像机的位置，或者通过鼠标拖动改变摄像机的位置。而且用户通过设置环境灯来控制环境的明暗程度可以移动灯光的位置和调节灯光的明暗程度。以各种方式来进行三维图形的显示，除了显示摄像机的视图外，还可以分别从 X,Y,Z 三轴的方向来观察植物，也可以在全屏幕显示摄像机视图。另外，能将生成的植物导出为三维模型。⑧用户可以设置三维渲染图形的背景颜色并将显示结果输出。
　　
　　2.2 开发平台和工具的选取
　　硬件方面，CPU为P4 2.4GHz， 内存为512MB，显卡为GForce4；操作系统为Windows 2000；开发工具为Microsoft Vi sual C+ + 6.0；图形库为OpenGL,Vcg。
　　

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