專利名稱：一種基于廣義參數(shù)化建模的樹木模擬方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及植物建模和繪制技術(shù)，尤其涉及一種基于廣義參數(shù)化建模的樹木模擬方法。
背景技術(shù)：
植物種類繁多，形態(tài)各異，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，人們對(duì)植物形態(tài)結(jié)構(gòu)，內(nèi)部機(jī)理的探知從未停止，而用圖形的方式觀察和認(rèn)識(shí)客觀事物，是人類最便捷的認(rèn)知方式。因此，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，研究人員提出了多種植物可視化模擬的理論和方法，為植物可視化模擬開辟了廣闊的道路。植物可視化模擬，主要是樹木模型的可視化，包括樹木建模與樹木繪制，這是可視化的兩個(gè)不同階段，但兩者有著共同的目標(biāo)——真實(shí)地表現(xiàn)樹木。以下分別對(duì)樹木建模與樹木繪制進(jìn)行介紹。一、樹木建模樹木建模是通過構(gòu)造一個(gè)簡(jiǎn)單模型來反映真實(shí)世界中的樹木并能模擬樹木的生長(zhǎng)、發(fā)展及變化的過程。常見的幾種樹木建模方法主要包括各種改進(jìn)的L-系統(tǒng)、分形、基于圖像的建模、 粒子系統(tǒng)、基于參數(shù)控制的建模。然而，在以上建模方法中，大部分只注重植物的幾何形態(tài)、 造型等，很少結(jié)合植物學(xué)知識(shí)，因此，不能模擬樹木的生長(zhǎng)和發(fā)展過程，在農(nóng)林業(yè)的研究和應(yīng)用中受到較大的限制。而以上方法的這種局限推動(dòng)了結(jié)構(gòu)功能模型的發(fā)展，如Amap模型(自動(dòng)機(jī)模型)和GreenLab模型(功能結(jié)構(gòu)模型)等，這些模型既考慮了植物的形態(tài)結(jié)構(gòu)，又考慮了植物的生理生態(tài)機(jī)理，能較好的體現(xiàn)植物生長(zhǎng)的真實(shí)規(guī)律，能模擬植物的生長(zhǎng)過程，并能對(duì)植物的生長(zhǎng)狀況進(jìn)行預(yù)測(cè)。Amap模型是一種不同于L-系統(tǒng)的虛擬植物模型，綜合了植物學(xué)家提出的植物構(gòu)造學(xué)方面的知識(shí)，采用有限自動(dòng)機(jī)來控制植物的軸生長(zhǎng)過程，從而模擬生長(zhǎng)過程中的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化，該技術(shù)又被稱為“參考軸技術(shù)”或“隨機(jī)過程方法”。GreenLab模型是在Amap模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)與擴(kuò)充，GreenLab模型采用了雙尺度自動(dòng)機(jī)來模擬植物的形態(tài)發(fā)生過程，并且GreenLab模型形成了較完整的反映植物器官間生物量分配的功能模型體系。雙尺度自動(dòng)機(jī)中設(shè)置了兩個(gè)層次的狀態(tài)——宏?duì)顟B(tài)和微狀態(tài)，宏?duì)顟B(tài)代表不同的生長(zhǎng)單元，微狀態(tài)代表葉元，宏?duì)顟B(tài)是由微狀態(tài)組合而成的。 雙尺度自動(dòng)機(jī)模型通過這兩種狀態(tài)的組合和循環(huán)模擬植物的生長(zhǎng)過程，生成植物的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。相比于Amap模型中的自動(dòng)機(jī)模型，雙尺度自動(dòng)機(jī)的表達(dá)形式和狀態(tài)參數(shù)往往更為簡(jiǎn)潔，也更利于描述與生長(zhǎng)周期有關(guān)的植物生長(zhǎng)特點(diǎn)。GreenLab模型在雙尺度自動(dòng)機(jī)形態(tài)發(fā)生模型的基礎(chǔ)上，依據(jù)器官的源-匯理論來模擬植物各器官的生物量分配，并由生物量分配推算出植物器官大小隨時(shí)間的變化。GreenLab功能模型的模擬流程如圖1所示，GreenLab模型通過一系列數(shù)學(xué)公式迭代來模擬植物的結(jié)構(gòu)與功能反饋，相較其它模型，GreenLab模型在體現(xiàn)生物機(jī)理性以及模型復(fù)雜度方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，主要有以下優(yōu)點(diǎn)1)用宏?duì)顟B(tài)和微狀態(tài)分別表示植物的生長(zhǎng)單元和葉元，符合植物周期性生長(zhǎng)的特性。并且采用半馬爾可夫鏈來描述各狀態(tài)之間的關(guān)系，能更加真實(shí)地模擬植物形態(tài)結(jié)構(gòu)的差異變化以及植物的生長(zhǎng)。WGreenLab模型對(duì)植物形態(tài)結(jié)構(gòu)以及生長(zhǎng)規(guī)律進(jìn)行了大量的簡(jiǎn)化，根據(jù)各個(gè)器官生理年齡的不同將各個(gè)器官或枝條進(jìn)行分類，同一類的器官或枝條采用相同的生長(zhǎng)參數(shù)，從而大大簡(jiǎn)化了植物生長(zhǎng)參數(shù)，并且這些生長(zhǎng)參數(shù)采用統(tǒng)計(jì)擬合的方法獲得，能與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較好的結(jié)合?；肎reenLab模型具有較為簡(jiǎn)潔的形態(tài)發(fā)生描述形式，并建立了完整的模擬生物量分配和器官大小變化的功能模型，可以較為真實(shí)地模擬植物的生長(zhǎng)，目前已大量應(yīng)用到植物生長(zhǎng)模擬中。但是，GreenLab模型目前仍有許多不完善之處，還未包含考慮各種環(huán)境因素的系統(tǒng)模型，也未進(jìn)一步考慮植物體內(nèi)的生理過程，這都有待今后研究者的完善與改進(jìn)。并且因?yàn)闃淠镜膸缀螐?fù)雜性，對(duì)樹木的測(cè)量以及GreenLab參數(shù)擬合等都有較大的困難，目前將 GreenLab應(yīng)用于樹木的研究還比較困難。二、樹木繪制樹木的幾何模型只是樹木可視化的基礎(chǔ)，要實(shí)現(xiàn)樹木的可視化還需要使用合適的算法將樹木模型繪制出來。樹木繪制就是利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)處理樹木三維幾何結(jié)構(gòu)， 生成逼真圖像的過程。隨著樹木建模方法的不斷豐富和完善，人們對(duì)樹木的繪制技術(shù)越來越重視，針對(duì)樹木結(jié)構(gòu)復(fù)雜、數(shù)據(jù)量龐大等特點(diǎn)，人們提出了較多的繪制算法，按照繪制元素的不同主要?dú)w為三類1)基于幾何的繪制方法；幻基于圖像的繪制方法；；3)體繪制方法。1)基于幾何的繪制方法是采用掃描線繪制方法、光線跟蹤方法、輻射度方法、 PhOton mapping技術(shù)等來直接繪制樹木的幾何模型。樹木幾何模型較逼真，對(duì)模型光照、紋理、陰影及反走樣的處理細(xì)致，可生成非常逼真的效果。但由于逼真的樹木幾何模型往往面片數(shù)量很大，使得這種方法的真實(shí)感繪制效率很低，難以滿足實(shí)時(shí)或交互應(yīng)用的需求。2)基于圖像的繪制方法?；趫D像的繪制利用紋理圖像在視覺上模擬樹木的幾何，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，面片數(shù)少，繪制效率高。基于圖像的繪制技術(shù)是從圖像角度出發(fā)，通過插值、 混合、變形等操作生成一定范圍內(nèi)不同視點(diǎn)處的圖像，這一方法能夠極大的減少繪制幾何圖元的數(shù)量，提高繪制速度，在交互式系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。其中，繪制的逼真度取決于紋理圖像的精細(xì)度，并且由于圖像是離散的數(shù)據(jù)，但當(dāng)視點(diǎn)較近時(shí)，圖像數(shù)據(jù)不能細(xì)分，失真現(xiàn)象比較明顯。而且，該方法只是用一個(gè)或幾個(gè)面片來表示樹木，并沒有建立真正的樹木幾何模型，不能應(yīng)用于動(dòng)態(tài)光照、樹木枝條的隨風(fēng)擺動(dòng)等復(fù)雜效果的模擬。3)體繪制方法。體繪制方法與樹木的幾何復(fù)雜度無(wú)關(guān)，并可以得到圖形加速硬件的支持，近些年，隨著算法的不斷改進(jìn)和計(jì)算機(jī)硬件的高速發(fā)展，體繪制技術(shù)已經(jīng)成為構(gòu)造復(fù)雜自然場(chǎng)景的重要工具，在森林場(chǎng)景的實(shí)時(shí)繪制領(lǐng)域有了大量的應(yīng)用。但在體繪制中，整棵樹木，甚至一片林子都是一個(gè)無(wú)法分割的整體，使得難以對(duì)樹木的各部分區(qū)域分別進(jìn)行控制與修改，也不易表達(dá)樹木的復(fù)雜動(dòng)態(tài)效果，在靈活性上顯得不足，并且體繪制數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大，計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)，在應(yīng)用上受到一定的限制。綜上，現(xiàn)有植物可視化模擬技術(shù)還存在著以下不足1)對(duì)于樹木建模，現(xiàn)有技術(shù)沒能將樹木的外觀形態(tài)與其內(nèi)部的生物學(xué)機(jī)理充分統(tǒng)一起來，沒能建立充分反映樹木生長(zhǎng)規(guī)律的幾何模型。2)對(duì)于樹木繪制，現(xiàn)有技術(shù)不能在提高繪制真實(shí)感的同時(shí)提高繪制速度，沒有能提供具有良好視覺效果的快速繪制技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種基于廣義參數(shù)化建模的樹木模擬方法，能將樹木的外觀形態(tài)與其內(nèi)部的生物學(xué)機(jī)理充分統(tǒng)一起來，能建立充分反映樹木生長(zhǎng)規(guī)律的幾何模型。為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種基于廣義參數(shù)化建模的樹木模擬方法，包括步驟一，輸入與樹木生長(zhǎng)相關(guān)的非幾何參數(shù)；步驟二，依據(jù)所述非幾何參數(shù)選定并讀取對(duì)應(yīng)幾何數(shù)據(jù)文件；其中幾何數(shù)據(jù)文件通過如下方式生成基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)一樹種功能結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行校準(zhǔn)，獲得所述樹種的功能結(jié)構(gòu)模型，然后利用所述功能結(jié)構(gòu)模型生成所述樹種的對(duì)應(yīng)不同非幾何參數(shù)值的幾何數(shù)據(jù)文件；步驟三，根據(jù)所述幾何數(shù)據(jù)文件建立初步模型；步驟四，輸入樹木的幾何參數(shù)對(duì)所述初步模型進(jìn)行調(diào)整，獲得樹木模型；步驟五，對(duì)所述樹木模型進(jìn)行快速真實(shí)感繪制。優(yōu)選的，上述的樹木模擬方法中，所述非幾何參數(shù)包括樹種、年齡、季節(jié)和/或水分脅迫度；所述幾何參數(shù)包括胸徑、基徑、樹高、枝下高、著枝角度和/或彎曲度。優(yōu)選的，上述的樹木模擬方法中，所述樹木模型基于二叉樹表達(dá)樹木的幾何結(jié)構(gòu)信息和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息。優(yōu)選的，上述的樹木模擬方法中，所述二叉樹以樹木主干作為根結(jié)點(diǎn)，每個(gè)主干上的側(cè)枝按照由底到頂?shù)捻樞蚺判颍缘谝粋€(gè)側(cè)枝為左子樹，以兄弟結(jié)點(diǎn)為右子樹，其中所述根結(jié)點(diǎn)沒有右子樹。優(yōu)選的，上述的樹木模擬方法中，在所述步驟五之前，還包括根據(jù)枝條對(duì)樹木生物量和對(duì)視覺效果的貢獻(xiàn)度對(duì)枝條進(jìn)行排序，然后剔除排序在閾值之后的枝條以簡(jiǎn)化所述樹木模型。優(yōu)選的，上述的樹木模擬方法中，在所述步驟五中，通過類散射的方法繪制葉片的半透明效果；通過陰影圖方法繪制樹木的陰影。優(yōu)選的，上述的樹木模擬方法中，還包括根據(jù)樹木生長(zhǎng)過程曲線，在各個(gè)離散狀態(tài)時(shí)間點(diǎn)的樹木模型之間進(jìn)行插值計(jì)算， 從而生成模擬樹木生長(zhǎng)發(fā)育過程的連續(xù)動(dòng)畫。優(yōu)選的，上述的樹木模擬方法中，在所述步驟五中，通過采用頂點(diǎn)緩存，一次性將數(shù)據(jù)提交到繪制流水線的第一步，從而減少數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)繪制加速。為了更好的實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還提供了一種基于廣義參數(shù)化建模的樹木模擬裝置，包括輸入模塊，用于輸入與樹木生長(zhǎng)相關(guān)的非幾何參數(shù)；
數(shù)據(jù)獲取模塊，用于依據(jù)所述非幾何參數(shù)，選定并讀取對(duì)應(yīng)幾何數(shù)據(jù)文件；其中幾何數(shù)據(jù)文件通過如下方式生成基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)一樹種功能結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行校準(zhǔn)，獲得所述樹種的功能結(jié)構(gòu)模型，然后利用所述功能結(jié)構(gòu)模型生成所述樹種的對(duì)應(yīng)不同非幾何參數(shù)值的幾何數(shù)據(jù)文件；建模模塊，用于根據(jù)所述幾何數(shù)據(jù)文件建立初步模型；調(diào)整模塊，用于輸入樹木的幾何參數(shù)對(duì)所述初步模型進(jìn)行調(diào)整，獲得樹木模型；繪制模塊，用于對(duì)所述樹木模型進(jìn)行快速真實(shí)感繪制。優(yōu)選的，上述的樹木模擬裝置中，還包括簡(jiǎn)化模塊，用于根據(jù)枝條對(duì)樹木生物量和對(duì)視覺效果的貢獻(xiàn)度進(jìn)行排序，然后剔除排序在閾值之后的枝條以簡(jiǎn)化所述樹木模型；效果模塊，用于通過類散射的方法繪制葉片的半透明效果；通過陰影圖方法繪制樹木的陰影；插值模塊，用于根據(jù)樹木生長(zhǎng)過程曲線，在各個(gè)離散狀態(tài)時(shí)間點(diǎn)的樹木模型之間進(jìn)行插值計(jì)算，從而生成模擬樹木生長(zhǎng)發(fā)育過程的連續(xù)動(dòng)畫；加速模塊，用于通過采用頂點(diǎn)緩存，一次性將數(shù)據(jù)提交繪制流水線的第一步，從而減少數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)繪制加速。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明實(shí)施例具有以下效果1)本發(fā)明實(shí)施例提出并實(shí)現(xiàn)了廣義參數(shù)化樹木建模的方法，將樹種、年齡、季節(jié)、 培育條件等作為參數(shù)建立樹木模型，并能通過胸徑、基徑、樹高、枝下高、著枝角度和彎曲度等參數(shù)調(diào)整樹木模型。該建模方法將樹木的幾何外觀與其生物學(xué)特性有機(jī)結(jié)合起來，有利于生成反映樹木生長(zhǎng)規(guī)律的幾何模型，能順暢自然地模擬樹木生長(zhǎng)過程。2)本發(fā)明實(shí)施例提出基于二叉樹的樹木拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)表達(dá)以及樹木幾何結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的方法，二叉樹結(jié)構(gòu)是按照類似自然界中樹結(jié)構(gòu)來定義的，是重要的信息組織形式，利于樹木建模和生長(zhǎng)模擬。本發(fā)明實(shí)施例定義的二叉樹結(jié)構(gòu)能清晰地表達(dá)樹木的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)關(guān)系，并能清晰地表達(dá)各級(jí)枝條的繼承關(guān)系和各個(gè)枝條不同年齡的對(duì)應(yīng)關(guān)系。本發(fā)明實(shí)施例定義的基于二叉樹的樹木結(jié)構(gòu)表達(dá)能依據(jù)枝條對(duì)樹木生物量和對(duì)視覺效果的貢獻(xiàn)度進(jìn)行樹木結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化。3)本發(fā)明實(shí)施例根據(jù)樹木生長(zhǎng)規(guī)律和基于二叉樹的樹木結(jié)構(gòu)表達(dá)，建立了適用于模擬樹木生長(zhǎng)的生長(zhǎng)方程，并將樹木的生長(zhǎng)過程變化體現(xiàn)為樹枝長(zhǎng)度、半徑、位置、樹葉位置和數(shù)量的變化，對(duì)這些變化進(jìn)行生長(zhǎng)插值計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了樹木的平滑生長(zhǎng)過渡。4)另外本發(fā)明實(shí)施例基于Siadow map(陰影圖)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了樹木陰影的繪制， 以及采用近似散射的方法實(shí)現(xiàn)了樹葉的半透明效果，提高了樹木繪制的真實(shí)感。結(jié)合圖形硬件的可編程特性，樹枝和葉片的繪制以及生長(zhǎng)過程插值均在可編程GPU中進(jìn)行，并采用 Geometry Shader的自動(dòng)裝配功能生成樹木的三角形網(wǎng)格，提高了繪制速度，加速了模型的顯不。


圖1是GreenLab功能模型的模擬流程圖；圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的方法的步驟流程圖3是本發(fā)明實(shí)施例提供的幾何參數(shù)的定義示意圖；圖4是本發(fā)明實(shí)施例提供的樹枝平移的示意圖；圖5是本發(fā)明實(shí)施例提供的枝條著枝角變化示意圖；圖6是本發(fā)明實(shí)施例提供的枝條彎曲度變化示意圖；圖7是本發(fā)明實(shí)施例提供的樹木三叉樹結(jié)構(gòu)表達(dá)示意圖；圖8是本發(fā)明實(shí)施例提供的樹木二叉樹結(jié)構(gòu)表達(dá)示意圖；圖9是本發(fā)明實(shí)施例提供的樹木生長(zhǎng)過程曲線；圖10為本發(fā)明實(shí)施例提供的樹木模擬裝置的結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的方法的步驟流程圖，如圖2所示，基于廣義參數(shù)化建模的樹木模擬方法包括步驟101，輸入與樹木生長(zhǎng)相關(guān)的非幾何參數(shù)；步驟102，依據(jù)所述非幾何參數(shù)，選定并讀取對(duì)應(yīng)幾何數(shù)據(jù)文件；其中幾何數(shù)據(jù)文件通過如下方式生成基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)一樹種功能結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行校準(zhǔn)，獲得所述樹種的功能結(jié)構(gòu)模型，然后利用所述功能結(jié)構(gòu)模型生成所述樹種的對(duì)應(yīng)不同非幾何參數(shù)值的幾何數(shù)據(jù)文件；步驟103，根據(jù)所述幾何數(shù)據(jù)文件建立初步模型；步驟104，輸入樹木的幾何參數(shù)對(duì)所述初步模型進(jìn)行調(diào)整，獲得樹木模型；步驟105，對(duì)所述樹木模型進(jìn)行快速真實(shí)感繪制。其中，所述非幾何參數(shù)包括樹種、年齡、季節(jié)和/或水分脅迫度；所述幾何參數(shù)包括胸徑、基徑、樹高、枝下高、著枝角度和/或彎曲度。可見，本發(fā)明實(shí)施例依據(jù)與樹木生長(zhǎng)相關(guān)的非幾何參數(shù)和結(jié)構(gòu)功能模型 (GreenLab)來建立初步模型，并能通過幾何參數(shù)調(diào)整獲得樹木模型。因此，本發(fā)明實(shí)施例將樹木的幾何外觀與其生物學(xué)特性(非幾何參數(shù))有機(jī)結(jié)合起來，有利于生成反映樹木生長(zhǎng)規(guī)律的幾何模型，能順暢自然地模擬樹木生長(zhǎng)過程。其中，所述樹木模型基于二叉樹表達(dá)樹木拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息并存儲(chǔ)樹木幾何結(jié)構(gòu)信息。所述二叉樹以樹木主干作為根結(jié)點(diǎn)，每個(gè)主干上的側(cè)枝按照由底到頂?shù)捻樞蚺判?，以第一個(gè)側(cè)枝為左子樹，以兄弟結(jié)點(diǎn)為右子樹，其中所述根結(jié)點(diǎn)沒有右子樹。二叉樹結(jié)構(gòu)是按照類似自然界中樹結(jié)構(gòu)來定義的，是重要的信息組織形式，利于樹木建模和生長(zhǎng)模擬。因此，本發(fā)明實(shí)施例定義的二叉樹結(jié)構(gòu)能清晰地表達(dá)樹木的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)關(guān)系，并能清晰地表達(dá)各級(jí)枝條的繼承關(guān)系和各個(gè)枝條不同年齡的對(duì)應(yīng)關(guān)系，還能依據(jù)枝條對(duì)樹木生物量和對(duì)視覺效果的貢獻(xiàn)度進(jìn)行樹木結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化。在所述步驟105之前，還包括根據(jù)枝條對(duì)樹木生物量和對(duì)視覺效果的貢獻(xiàn)度進(jìn)行排序，然后剔除排序在閾值之后的枝條以簡(jiǎn)化所述樹木模型。本發(fā)明實(shí)施例中，繪制采用以下技術(shù)在所述步驟105中，通過類散射的方法繪制葉片的半透明效果；通過陰影圖方法繪制樹木的陰影；根據(jù)樹木生長(zhǎng)過程曲線，在各個(gè)離散狀態(tài)時(shí)間點(diǎn)的樹木模型之間進(jìn)行插值計(jì)算，從而生成模擬樹木生長(zhǎng)發(fā)育過程的連續(xù)動(dòng)畫；通過采用頂點(diǎn)緩存，一次性將數(shù)據(jù)提交到繪制流水線的第一步，從而減少數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)繪制加速。以下，對(duì)廣義參數(shù)化建模、二叉樹、GPU繪制等等進(jìn)行細(xì)致說明。(一 )廣義參數(shù)化建模參數(shù)化建模概念最早用于工業(yè)設(shè)計(jì)，是指設(shè)計(jì)對(duì)象的結(jié)構(gòu)形狀比較定型，可以用一組參數(shù)來約定尺寸關(guān)系，通過改變尺寸驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)結(jié)果的修改。植物的參數(shù)化建模是在保持植物拓?fù)湟?guī)律基本不變的前提下，改變植物幾何結(jié)構(gòu)的尺寸、形態(tài)以及角度，用有限個(gè)幾何圖元來完成對(duì)植物外觀模型的構(gòu)造的建模方法。本發(fā)明實(shí)施例提出的廣義參數(shù)化建模的主要參數(shù)不僅包含胸徑、基徑、樹高、枝下高、著枝角度和彎曲度等幾何參數(shù)，還包含年齡、季節(jié)、水分和樹種等非幾何參數(shù)。先通過非幾何參數(shù)調(diào)用不同的幾何數(shù)據(jù)文件，建立相應(yīng)的樹木模型，然后可根據(jù)幾何參數(shù)的調(diào)整修改樹木模型。本發(fā)明實(shí)施例對(duì)楊樹107和京2楊兩個(gè)楊樹樹種進(jìn)行了測(cè)量實(shí)驗(yàn)，并基于大量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)該兩樹種的GreenLab模型進(jìn)行了校準(zhǔn)，獲得了其功能結(jié)構(gòu)模型參數(shù)。如前所述，QINGYUAN軟件根據(jù)該兩樹種的功能結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行計(jì)算，輸出其幾何數(shù)據(jù)文件。這樣，本發(fā)明實(shí)施例所實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)，可以對(duì)楊樹107和京2楊兩個(gè)樹種進(jìn)行處理，即“樹種”參數(shù)取值范圍為該二值。此外，“年齡”和“季節(jié)”均為時(shí)間尺度，根據(jù)年齡和季節(jié)的變化調(diào)用不同幾何數(shù)據(jù)文件，建立相應(yīng)樹木模型；“季節(jié)”參數(shù)用于控制樹木外觀四季變化，有春、夏、秋、 冬四值；“水分條件”參數(shù)用于控制樹木的培育條件，取值有輕度脅迫、中度脅迫和正常供水三種。以上為樹木模型的非幾何參數(shù)，而其幾何參數(shù)的定義如圖3所示胸徑為樹木 1.3m高處的樹木主干直徑，基徑為樹木主干底部的直徑，樹高為樹干總長(zhǎng)度，枝下高為主干上第一個(gè)側(cè)枝距主干底部的距離，著枝角度為側(cè)枝與主干夾角，彎曲度為側(cè)枝各個(gè)節(jié)間的夾角。本發(fā)明實(shí)施例中提到的著枝角度和彎曲度均為二級(jí)側(cè)枝的著枝角度和彎曲度。本發(fā)明實(shí)施例通過上述幾何參數(shù)來調(diào)整樹木模型，改變樹木的外觀形態(tài)。通過修改各個(gè)幾何參數(shù)從而驅(qū)動(dòng)樹木外觀形態(tài)的調(diào)整，使得樹木模型更加逼真。幾何參數(shù)變化對(duì)樹木模型的調(diào)整只針對(duì)主干和二級(jí)枝條，其他枝條或者葉片的位置變換依據(jù)其父枝條的變換。本發(fā)明實(shí)施例樹木主干是由多個(gè)節(jié)間組成，主干上各個(gè)節(jié)間的長(zhǎng)度相同，當(dāng)修改樹高時(shí)，為了保持樹木整體相對(duì)位置的不變，根據(jù)樹高的變化來修改節(jié)間的長(zhǎng)度，從而達(dá)到修改樹高的效果。枝下高為主干上第一個(gè)側(cè)枝距主干基部的距離，本發(fā)明實(shí)施例提到的枝下高用實(shí)際枝下高與樹高的百分比來代替。當(dāng)修改樹木枝條高時(shí)，第一個(gè)樹枝根據(jù)給定的值進(jìn)行平移，但是平移時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)如圖4中幾種情況第一種屬正常情況，第一個(gè)樹枝經(jīng)平移未達(dá)到第二個(gè)枝條的位置。第二種情況，第一個(gè)樹枝經(jīng)平移后，第二個(gè)枝條距主干底部距離變成枝下高，此時(shí)枝下高的值發(fā)生改變。第三種情況，第一個(gè)樹枝經(jīng)平移后，與同一類型的樹枝分開，歸類到另一簇枝條中，變化了樹木的整體結(jié)構(gòu)。而實(shí)際上樹木枝條間距有一定規(guī)律，對(duì)楊樹來說，同一年生枝條會(huì)集中在某一區(qū)域，稱為簇。因此當(dāng)修改枝下高時(shí)，可考慮平移第一簇的所有枝條，而不是第一個(gè)枝條。平移枝條時(shí)，根據(jù)定義的二叉樹查找到第一簇所有枝及所有枝的子側(cè)枝和所有葉片，根據(jù)修改的枝下高進(jìn)行整體的平移。 樹木枝條太多，著枝角度不一，為了便于計(jì)算，本發(fā)明實(shí)施例所有二級(jí)枝條采用同一著枝角度。當(dāng)修改著枝角度時(shí)，所有二級(jí)枝條隨之變化。著枝角度為側(cè)枝第一個(gè)節(jié)間與主干間的夾角，在主干和當(dāng)前側(cè)枝組成的平面上，當(dāng)前側(cè)枝繞著主干旋轉(zhuǎn)著枝角度，即為當(dāng)前側(cè)枝的最終位置。如圖5所示，當(dāng)著枝角度發(fā)生改變時(shí)，當(dāng)前枝上各個(gè)節(jié)間之間的相對(duì)位置不變，每個(gè)枝條的第一個(gè)節(jié)間位置％不會(huì)發(fā)生改變，因此當(dāng)前枝上其他節(jié)間的位置均根據(jù)第一個(gè)節(jié)間的位置平移獲得。
權(quán)利要求
1.一種基于廣義參數(shù)化建模的樹木模擬方法，其特征在于，包括 步驟一，輸入與樹木生長(zhǎng)相關(guān)的非幾何參數(shù)；步驟二，依據(jù)所述非幾何參數(shù)選定并讀取對(duì)應(yīng)幾何數(shù)據(jù)文件；其中幾何數(shù)據(jù)文件通過如下方式生成基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)一樹種功能結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行校準(zhǔn)，獲得所述樹種的功能結(jié)構(gòu)模型，然后利用所述功能結(jié)構(gòu)模型生成所述樹種的對(duì)應(yīng)不同非幾何參數(shù)值的幾何數(shù)據(jù)文件；步驟三，根據(jù)所述幾何數(shù)據(jù)文件建立初步模型；步驟四，輸入樹木的幾何參數(shù)對(duì)所述初步模型進(jìn)行調(diào)整，獲得樹木模型；步驟五，對(duì)所述樹木模型進(jìn)行快速真實(shí)感繪制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的樹木模擬方法，其特征在于， 所述非幾何參數(shù)包括樹種、年齡、季節(jié)和/或水分脅迫度；所述幾何參數(shù)包括胸徑、基徑、樹高、枝下高、著枝角度和/或彎曲度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的樹木模擬方法，其特征在于，所述樹木模型基于二叉樹表達(dá)樹木的幾何結(jié)構(gòu)信息和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的樹木模擬方法，其特征在于，所述二叉樹以樹木主干作為根結(jié)點(diǎn)，每個(gè)主干上的側(cè)枝按照由底到頂?shù)捻樞蚺判?，以第一個(gè)側(cè)枝為左子樹，以兄弟結(jié)點(diǎn)為右子樹，其中所述根結(jié)點(diǎn)沒有右子樹。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的樹木模擬方法，其特征在于，在所述步驟五之前，還包括根據(jù)枝條對(duì)樹木生物量和對(duì)視覺效果的貢獻(xiàn)度對(duì)枝條進(jìn)行排序，然后剔除排序在閾值之后的枝條以簡(jiǎn)化所述樹木模型。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的樹木模擬方法，其特征在于，在所述步驟五中，通過類散射的方法繪制葉片的半透明效果；通過陰影圖方法繪制樹木的陰影。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的樹木模擬方法，其特征在于，還包括根據(jù)樹木生長(zhǎng)過程曲線，在各個(gè)離散狀態(tài)時(shí)間點(diǎn)的樹木模型之間進(jìn)行插值計(jì)算，從而生成模擬樹木生長(zhǎng)發(fā)育過程的連續(xù)動(dòng)畫。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的樹木模擬方法，其特征在于，在所述步驟五中，通過采用頂點(diǎn)緩存，一次性將數(shù)據(jù)提交到繪制流水線的第一步，從而減少數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)繪制加速。
9.一種基于廣義參數(shù)化建模的樹木模擬裝置，其特征在于，包括 輸入模塊，用于輸入與樹木生長(zhǎng)相關(guān)的非幾何參數(shù)；數(shù)據(jù)獲取模塊，用于依據(jù)所述非幾何參數(shù)，選定并讀取對(duì)應(yīng)幾何數(shù)據(jù)文件；其中幾何數(shù)據(jù)文件通過如下方式生成基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)一樹種功能結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行校準(zhǔn)，獲得所述樹種的功能結(jié)構(gòu)模型，然后利用所述功能結(jié)構(gòu)模型生成所述樹種的對(duì)應(yīng)不同非幾何參數(shù)值的幾何數(shù)據(jù)文件；建模模塊，用于根據(jù)所述幾何數(shù)據(jù)文件建立初步模型； 調(diào)整模塊，用于輸入樹木的幾何參數(shù)對(duì)所述初步模型進(jìn)行調(diào)整，獲得樹木模型； 繪制模塊，用于對(duì)所述樹木模型進(jìn)行快速真實(shí)感繪制。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的樹木模擬裝置，其特征在于，還包括簡(jiǎn)化模塊，用于根據(jù)枝條對(duì)樹木生物量和對(duì)視覺效果的貢獻(xiàn)度進(jìn)行排序，然后剔除排序在閾值之后的枝條以簡(jiǎn)化所述樹木模型；效果模塊，用于通過類散射的方法繪制葉片的半透明效果；通過陰影圖方法繪制樹木的陰影；插值模塊，用于根據(jù)樹木生長(zhǎng)過程曲線，在各個(gè)離散狀態(tài)時(shí)間點(diǎn)的樹木模型之間進(jìn)行插值計(jì)算，從而生成模擬樹木生長(zhǎng)發(fā)育過程的連續(xù)動(dòng)畫；加速模塊，用于通過采用頂點(diǎn)緩存，一次性將數(shù)據(jù)提交繪制流水線的第一步，從而減少數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)繪制加速。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種基于廣義參數(shù)化建模的樹木模擬方法，包括步驟一，輸入與樹木生長(zhǎng)相關(guān)的非幾何參數(shù)；步驟二，依據(jù)所述非幾何參數(shù)選定并讀取對(duì)應(yīng)幾何數(shù)據(jù)文件；其中幾何數(shù)據(jù)文件通過如下方式生成基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)一樹種功能結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行校準(zhǔn)，獲得所述樹種的功能結(jié)構(gòu)模型，然后利用所述功能結(jié)構(gòu)模型生成所述樹種的對(duì)應(yīng)不同非幾何參數(shù)值的幾何數(shù)據(jù)文件；步驟三，根據(jù)所述幾何數(shù)據(jù)文件建立初步模型；步驟四，輸入樹木的幾何參數(shù)對(duì)所述初步模型進(jìn)行調(diào)整，獲得樹木模型；步驟五，對(duì)所述樹木模型進(jìn)行快速真實(shí)感繪制。本發(fā)明能將樹木的外觀形態(tài)與其內(nèi)部的生物學(xué)機(jī)理充分統(tǒng)一起來，能建立充分反映樹木生長(zhǎng)規(guī)律的幾何模型。
文檔編號(hào)G06T13/60GK102289846SQ201110265440
公開日2011年12月21日 申請(qǐng)日期2011年9月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月8日
發(fā)明者劉冬香, 曹衛(wèi)群 申請(qǐng)人:北京林業(yè)大學(xué)