专利名称：一种植物与雨滴实时交互过程的计算机模拟方法
技术领域：
本发明涉及计算机图形技术，尤其是一种将计算机图形技术应用到植物在自然场景中的真实感模拟方法。
背景技术：
植物的生长离不开外界环境。温度、光照、水分、营养等不但影响到植物的产量、质量，还影响到植物的形态。不同生长环境下的植物生长，有不同的结构特征。根的向水性、日长对感光性植物开花期的影响等，说明外界环境对植物具有导向性。近年来的研究中，已开始将基于机理过程的生理生态模型与可视化植物模型结合起来。应用前者模拟生态环境和栽培措施对植物的生物量、器官形成与发育的影响；应用可视化模型模拟植物的形态结构、冠层的微气象条件、对资源的获取等。二者结合后的模型以并行机制，将环境条件、植物形态结构与生理生态过程紧密结合起来，使模型具有结构与功能的反馈能力，更符合植物生长机制。该类模型虽然将植物和环境结合起来，但在可视化方面还主要是植株的生长形态变化，很少有加入外界环境因素与植株的实时动态交互。雨与植物实时交互是自然场景中最普遍的现象之一，当雨滴与植物叶片发生碰撞时，雨滴的一部分水分被叶片吸收，另一部分分散成小水滴溅起。叶片水分的吸收影响着植物中水分的储存量，同时也将过滤植物中的农药化学品含量。另一方面，作物中大部分病害是通过由雨滴碰撞植物产生的带有细菌小水滴传播的。例如，壳针孢属(小麦颖枯病)和镰刀霉在小麦上的传播、炭疽病在豌豆上的传播。因此，模拟植物与雨之间的实时交互，不仅对于研究植物内部水分的含量、农药化学品的过滤以及病害在植物冠层中的分布具有重要意义，而且在计算机游戏、三维动画、影视及广告中也具有重要的应用价值。
发明内容
为了克服现有植物与雨滴交互过程仅仅是二维模拟或数据表现、无法实现三维模拟、实时性较差的不足，本发明提供一种实现三维模拟、实时性良好的植物与雨滴实时交互过程的计算机模拟方法。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是一种植物与雨滴实时交互过程的计算机模拟方法，所述模拟方法包括以下步骤(I)交互式产生植物的拓扑结构和几何参数用户输入或改变参数化L系统中的公理、产生式、叶序、枝茎夹角和枝茎弯曲度，生成植物的拓扑结构；用户输入或改变植物的器官的种类，所述种类包括叶片的种类和枝茎的种类；(2)根据用户输入的参数，使用参数化L系统描述植物的拓扑结构，并使用计算机图形学技术生成几何形态库，以保存植物器官的几何形态；(3)将所生成叶片的器官进行编号，并加入碰撞信息参数，所述碰撞信息参数包括碰撞参数、碰撞时间和叶片轮廓参数；记录当前叶片的方向矩阵、位置、编号以及碰撞信息参数，当叶片未与水滴发生碰撞时，碰撞参数设为false，叶片并未发生振动和形态变化；当叶片与水滴发生碰撞，碰撞参数设为true，碰撞时间增加，叶片发生振动、叶片本身形态发生改变；(4)根据用户输入的雨滴数量建立雨场，雨滴的数量为计算机屏幕中能见的雨滴数量之和；(5)结合碰撞后雨滴的模拟和叶片的形态变化建立冠层空间内雨分布模型；(6)虚拟植物在雨场作用下，根据雨滴与植物叶片发生碰撞后的飞溅情况和飞溅后水滴的运动轨迹，对雨滴进行模拟；通过改变叶片自身的参数来反映叶片受到碰撞后的形态变化。进一步，所述步骤￠)中，将记录的植物叶片参数，在发生碰撞后根据叶片的编号找到碰撞的叶片，通过改变叶片的方向矩阵以及叶片自身的弯曲度，来模拟叶片的振动和形变。再进一步，所述步骤￠)中，雨滴与叶片发生碰撞后，通过雨滴的水分质量守恒来模拟雨滴的飞溅情况，并根据动能守恒原理模拟飞溅水滴的运动轨迹。更进一步，所述的模拟方法还包括以下步骤(7)雨场景中植物动画的输出根据粒子系统生成雨场，使用计算机可视化技术输出虚拟植物与雨实时交互的计算机动画。本发明的技术构思为随着计算机软、硬件性能的提高，以及计算机图形学、图像处理、虚拟现实技术的发展，人们对植物建模的真实性要求也日益提高。单独的植株生长形态变化已不能满足场景绘制的需求，以虚拟植物为基础，建立植物与环境因子的交互模型，使得虚拟植物的生长更加逼真，才是今后的发展趋势。植物冠层内雨分布模拟模型，对研究植物内部水分的含量，农药化学品的过滤以及病害在植物冠层中的分布具有重要意义。但目前，对于雨与植物冠层之间的实时交互主要是对二维植物模型与雨的交互模拟，或者是通过数据分析来表现植物中雨水的分布情况。水分质量守恒原理的应用是将雨滴总质量划分为雨滴与叶片发生碰撞分裂后小水滴的总质量，通过计算各中水滴的质量，从而确定水滴的大小。动能守恒原理的应用是对雨滴发生碰撞前后的动能进行计算，通过碰撞前雨滴的动能，计算发生碰撞后各个水滴的动能含量，从而获得水滴的运动轨迹。本发明的有益效果主要表现在应用计算机图形学模拟出的植物在雨环境中的形态变化，可应用于自然场景计算机教学、游戏动画的生成、计算机辅助园林和景观设计、生态环境预测与可视化、影视和虚拟现实等多个领域的研究。
图I是植物与雨滴实时交互过程的计算机模拟方法的流程图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1，一种植物与雨滴实时交互过程的计算机模拟方法，包括以下步骤(I)植物拓扑结构和几何器官的建立。用户可以输入植物的拓扑结构参数，用来生成所需植物的拓扑结构模型，拓扑结构参数包括公理、产生式、叶序、枝茎夹角、枝干弯曲度、主茎弯曲度。另一方面，用户可以选择不同的叶片器官和枝茎器官，建立植物的几何器官模型。如用户未输入以上参数，则系统自动产生默认的拓扑结构和几何器官模型。(2)植物模型的建立。系统根据参数化的L系统对输入的拓扑结构信息进行解释，并根据输入的叶片和枝茎器官模型对拓扑结构中的器官字符进行图形化解释，即使用计算机图形学技术生成几何形态库，以保存植物器官的几何形态(3)叶片的碰撞。在图形化解释的过程中，对叶片进行编号，同时，添加碰撞参数，碰撞轮廓、碰撞时间等碰撞信息参数。将碰撞信息参数与叶片当前的方向、尺寸、位置信息进行保存。当叶片未与水滴发生碰撞时，碰撞参数设为false，叶片并未发生振动和形态变化；当叶片与水滴发生碰撞，碰撞参数设为true,碰撞时间增加，叶片发生振动、叶片本身形态发生改变。(4)雨场模型的建立。通过粒子系统对雨场进行建模，由若干相互独立的粒子进行，粒子个数由用户输入的雨量决定。雨滴粒子属性包括半径、空间位置等；雨滴的数量为计算机屏幕中能见的雨滴数量之和。(5)碰撞检测。通过对叶片轮廓信息与雨滴的位置进行碰撞检测，获取发生碰撞叶片的编号；结合碰撞后雨滴的模拟和叶片的形态变化建立冠层空间内雨分布模型。(6)虚拟植物在雨场作用下，根据雨滴与植物叶片发生碰撞后的飞溅情况和飞溅后水滴的运动轨迹，对雨滴进行模拟；通过改变叶片自身的参数来反映叶片受到碰撞后的形态变化。所述步骤￠)中，将记录的植物叶片参数，在发生碰撞后根据叶片的编号找到碰撞的叶片，通过改变叶片的方向矩阵以及叶片自身的弯曲度，来模拟叶片的振动和形变。所述步骤￠)中，雨滴与叶片发生碰撞后，通过雨滴的水分质量守恒来模拟雨滴的飞溅情况，并根据动能守恒原理模拟飞溅水滴的运动轨迹。雨滴碰撞后的飞溅情况。水滴与叶片发生碰撞后，水滴由于受到撞击而分裂，分裂后的水分主要分为四个部分溅起产生的若干小水滴、叶片吸收的水分、空气蒸发的水分、停留或沿叶片中脉滴落的水分。通过水分质量守恒，确定每一部分的水分质量，从而计算半径。同时，使用动能守恒原理计算各个水滴的运动轨迹。雨滴的更新雨滴做自由落体运动，根据系统时间不断更新水滴的空间位置。所述的模拟方法还包括以下步骤(7)雨场景中植物动画的输出根据粒子系统生成雨场，使用计算机可视化技术输出虚拟植物与雨实时交互的计算机动画。
权利要求
1.一种植物与雨滴实时交互过程的计算机模拟方法，其特征在于所述模拟方法包括以下步骤 (1)交互式产生植物的拓扑结构和几何参数用户输入或改变参数化L系统中的公理、产生式、叶序、枝茎夹角和枝茎弯曲度，生成植物的拓扑结构；用户输入或改变植物的器官的种类，所述种类包括叶片的种类和枝茎的种类； (2)根据用户输入的参数，使用参数化L系统描述植物的拓扑结构，并使用计算机图形学技术生成几何形态库，以保存植物器官的几何形态； (3)将所生成叶片的器官进行编号，并加入碰撞信息参数，所述碰撞信息参数包括碰撞参数、碰撞时间和叶片轮廓参数；记录当前叶片的方向矩阵、位置、编号以及碰撞信息参数，当叶片未与水滴发生碰撞时，碰撞参数设为false，叶片并未发生振动和形态变化；当叶片与水滴发生碰撞，碰撞参数设为true,碰撞时间增加，叶片发生振动、叶片本身形态发生改变； (4)根据用户输入的雨滴数量建立雨场，雨滴的数量为计算机屏幕中能见的雨滴数量之和； (5)结合碰撞后雨滴的模拟和叶片的形态变化建立冠层空间内雨分布模型； (6)虚拟植物在雨场作用下，根据雨滴与植物叶片发生碰撞后的飞溅情况和飞溅后水滴的运动轨迹，对雨滴进行模拟；通过改变叶片自身的参数来反映叶片受到碰撞后的形态变化。
2.如权利要求I所述的一种植物与雨滴实时交互过程的计算机模拟方法，其特征在于所述步骤(6)中，将记录的植物叶片参数，在发生碰撞后根据叶片的编号找到碰撞的叶片，通过改变叶片的方向矩阵以及叶片自身的弯曲度，来模拟叶片的振动和形变。
3.如权利要求I所述的一种植物与雨滴实时交互过程的计算机模拟方法，其特征在于所述步骤(6)中，雨滴与叶片发生碰撞后，通过雨滴的水分质量守恒来模拟雨滴的飞溅情况，并根据动能守恒原理模拟飞溅水滴的运动轨迹。
4.如权利要求2或3所述的一种植物与雨滴实时交互过程的计算机模拟方法，其特征在于所述的模拟方法还包括以下步骤(7)雨场景中植物动画的输出根据粒子系统生成雨场，使用计算机可视化技术输出虚拟植物与雨实时交互的计算机动画。
全文摘要
一种植物与雨滴实时交互过程的计算机模拟方法，包括以下步骤(1)交互式产生植物的拓扑结构和几何参数；(2)根据用户输入的参数，使用参数化L系统描述植物的拓扑结构；(3)将所生成叶片的器官进行编号，并加入碰撞信息参数；(4)根据用户输入的雨滴数量建立雨场；(5)结合碰撞后雨滴的模拟和叶片的形态变化建立冠层空间内雨分布模型；(6)虚拟植物在雨场作用下，根据雨滴与植物叶片发生碰撞后的飞溅情况和飞溅后水滴的运动轨迹，对雨滴进行模拟；通过改变叶片自身的参数来反映叶片受到碰撞后的形态变化。本发明提供一种实现三维模拟、实时性良好的植物与雨滴实时交互过程的计算机模拟方法。
文档编号G06F17/50GK102637218SQ20121004301
公开日2012年8月15日 申请日期2012年2月24日 优先权日2012年2月24日
发明者丁维龙, 吴水生, 徐利锋, 胡辰, 金胡俊, 陈淑娇 申请人:浙江工业大学