植物模拟研究概述

一、引言
　　当前,植物模拟是一个非常有活力的研究方向。植物模拟的兴起一方面归功于科学技术的发展,计算机软硬件技术的飞速发展和数学、计算机图形学、植物生理学、林业科学、虚拟现实等学科的交叉融合为植物模拟奠定了技术基础;另一方面植物模拟应用领域广,应用价值高,有很好的经济效益和较高的学术价值。本文对植物模拟的研究状况进行了概述。
　　二、植物模拟的应用
　　研究人员模拟植物主要有两个目的:研究所模拟植物的生理规律和将虚拟植物作为虚拟场景的组成部分以增强场景的真实感。其应用领域也可按照模拟目的分为两类。
　　一类是将虚拟植物作为场景的一部分,主要应用于娱乐、教育等领域。植物是大自然必不可少的组成部分,因此大多数虚拟自然场景中都有植物模型存在。植物能增强虚拟场景的真实感,由于真实世界中只有极少数场景(如沙漠)没有植物,有植物的虚拟场景要比没有植物的虚拟场景更接近真实场景,身在其中的用户才会感到比较真实。这类应用领域的虚拟植物对视觉真实感要求较高,不要求严格遵循植物学规律。
　　另一类是非场景类的植物模拟,主要应用于农林业领域,此类植物模拟严格遵循植物生长规律。通过可视化技术,不但可以模拟植物的现状,还可以预测植物受到环境影响而发生的变化,例如预测病虫害对植物的影响并将这种影响通过直观的方式表现出来,另外可以将多种环境因素叠加起来作用于植物,如光照、水分、气温、害虫等因素同时考虑在内,这能模拟植物的真实生长环境并提前知道植物生长的结果,从而根据结果作出相应的调整,该方法的优点在于不破坏真实植物且极大地减少所耗费的时间,既经济又省时。
　　三、植物模拟分类及研究现状
　　1.植物模拟分类
　　经过国内外研究人员几十年的努力,植物模拟逐渐走向成熟,最显著的特征就是研究对象越来越细化。从研究对象的数量和几何尺寸上看,植物模拟分为器官模拟、单株植物模拟和大规模植物模拟等;从研究对象的状态上看,植物模拟可分为植物静态模拟,植物动态模拟以及植物生长模拟等。总体分类如下图。
　　图1 植物模拟分类
　　2.植物模拟研究现状
　　单株植物模拟起步最早,模拟方法也比较成熟。单株植物静态建模方法可分为基于植物学、基于图形学和基于图像重建三种。基于植物学的方法建模思想是以所模拟植物的真实情况为基础,建立植物的计算机模型,例如自动机模型,并将模型用于农林业生产和理论研究。该类方法需要大量所模拟植物的真实数据,并对这些数据进行分析整理得到植物生长机理。
　　基于图形学的方法是目前单株植物建模的主要方法,它不严格遵循植物生长机理,而是使用图形学的方法生成逼真的可视化植物模型。常用的图形学方法包括几何建模法、L-系统、A-系统、粒子系统、迭代函数系统等。这些方法大都与分形理论有关,通过模拟植物的自相似性建立植物模型。当前,L-系统是最成熟也是应用最广的建模方法,它的实质是一种字符重写系统,对每一个字符赋予合理的几何含义才能形成植物模型。为了更好地将L-系统用于植物模拟,很多学者对L-系统进行了改进,产生了一些新的L-系统如上下文相关的L-系统、参数化L-系统、微分L-系统、随机L-系统、环境敏感型L-系统、开放式L-系统等。
　　基于图像重建的方法是随着三维数字重建技术、三维扫描设备等的发展而出现的,原理是从输入的二维图像中获得植物的几何信息和拓扑信息,再根据特定的算法重建植物的三维模型。该方法主要包括体重建、曲面重建、点重建及图形、图像的混合造型方法。
　　单株植物的动态模拟目前以树的动态研究为主,方法有基于物理的方法和基于过程的方法。基于物理的方法大都从物理动力学的角度考虑植物的变形,柳有权用高斯分布来近似实际风力分布,利用有限元方法来求解树木在风力作用下的动态变形效果。基于过程的方法则从植物生成过程开始计算植物动态变形,Sakaguchi等人从真实照片中获取树的几何数据和拓扑信息,再用简单的分支规则生成树枝,变形计算时先计算每段树枝的变形,整棵树的动态变形由每段树枝的变形组合得到。当前对单株植物的生长模拟研究不多,Lindenmayer等构建L-系统产生式来模拟简单的植物生长。
　　植物器官是虚拟植物的重要组成部分,在大场景且远距离观察的植物模拟中,器官模拟的重要性不很突出,因此在一些大规模植物场景的渲染过程中,经常将植物器官作简化处理。为减少渲染的复杂性,Zhang等提出叶压缩算法,对叶子数量进行一定的压缩,如将两片叶子合并成一片叶子。Guennebaud提出可见面元选择法,判断出不可见的点和面,不渲染这些点和面,极大地提高了渲染速度。但在近距离观察和模拟目的与器官有关的植物模拟中,器官模拟就显得很重要了。植物器官的建模方法主要有三种:几何方法、基于规则的方法和基于重建的方法。
　　四、植物模拟发展趋势
　　1.植物模型的细节描述。植物模拟已从早期只关注植物的整体结构发展到当前既关注整体结构又关注植物的细节表达。植物的细节描述在游戏、作物栽培等领域发挥着重要作用。
　　2.大规模植物模拟。许多应用领域要求虚拟场景中有大规模虚拟植物,有时甚至要求动态模拟大规模植物。如何解决实时显示和大规模植物真实感绘制的矛盾是今后研究的热点。
　　3.照片级真实感的植物模型。当前的植物