专利名称：一种基于广义参数化建模的树木模拟方法
技术领域：
本发明涉及植物建模和绘制技术，尤其涉及一种基于广义参数化建模的树木模拟方法。
背景技术：
植物种类繁多，形态各异，结构复杂，人们对植物形态结构，内部机理的探知从未停止，而用图形的方式观察和认识客观事物，是人类最便捷的认知方式。因此，随着计算机技术的发展，研究人员提出了多种植物可视化模拟的理论和方法，为植物可视化模拟开辟了广阔的道路。植物可视化模拟，主要是树木模型的可视化，包括树木建模与树木绘制，这是可视化的两个不同阶段，但两者有着共同的目标——真实地表现树木。以下分别对树木建模与树木绘制进行介绍。一、树木建模树木建模是通过构造一个简单模型来反映真实世界中的树木并能模拟树木的生长、发展及变化的过程。常见的几种树木建模方法主要包括各种改进的L-系统、分形、基于图像的建模、 粒子系统、基于参数控制的建模。然而，在以上建模方法中，大部分只注重植物的几何形态、 造型等，很少结合植物学知识，因此，不能模拟树木的生长和发展过程，在农林业的研究和应用中受到较大的限制。而以上方法的这种局限推动了结构功能模型的发展，如Amap模型(自动机模型)和GreenLab模型(功能结构模型)等，这些模型既考虑了植物的形态结构，又考虑了植物的生理生态机理，能较好的体现植物生长的真实规律，能模拟植物的生长过程，并能对植物的生长状况进行预测。Amap模型是一种不同于L-系统的虚拟植物模型，综合了植物学家提出的植物构造学方面的知识，采用有限自动机来控制植物的轴生长过程，从而模拟生长过程中的拓扑结构变化，该技术又被称为“参考轴技术”或“随机过程方法”。GreenLab模型是在Amap模型的基础上进行了改进与扩充，GreenLab模型采用了双尺度自动机来模拟植物的形态发生过程，并且GreenLab模型形成了较完整的反映植物器官间生物量分配的功能模型体系。双尺度自动机中设置了两个层次的状态——宏状态和微状态，宏状态代表不同的生长单元，微状态代表叶元，宏状态是由微状态组合而成的。 双尺度自动机模型通过这两种状态的组合和循环模拟植物的生长过程，生成植物的拓扑结构。相比于Amap模型中的自动机模型，双尺度自动机的表达形式和状态参数往往更为简洁，也更利于描述与生长周期有关的植物生长特点。GreenLab模型在双尺度自动机形态发生模型的基础上，依据器官的源-汇理论来模拟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随时间的变化。GreenLab功能模型的模拟流程如图1所示，GreenLab模型通过一系列数学公式迭代来模拟植物的结构与功能反馈，相较其它模型，GreenLab模型在体现生物机理性以及模型复杂度方面具有明显优势，主要有以下优点1)用宏状态和微状态分别表示植物的生长单元和叶元，符合植物周期性生长的特性。并且采用半马尔可夫链来描述各状态之间的关系，能更加真实地模拟植物形态结构的差异变化以及植物的生长。WGreenLab模型对植物形态结构以及生长规律进行了大量的简化，根据各个器官生理年龄的不同将各个器官或枝条进行分类，同一类的器官或枝条采用相同的生长参数，从而大大简化了植物生长参数，并且这些生长参数采用统计拟合的方法获得，能与实测数据较好的结合。幻GreenLab模型具有较为简洁的形态发生描述形式，并建立了完整的模拟生物量分配和器官大小变化的功能模型，可以较为真实地模拟植物的生长，目前已大量应用到植物生长模拟中。但是，GreenLab模型目前仍有许多不完善之处，还未包含考虑各种环境因素的系统模型，也未进一步考虑植物体内的生理过程，这都有待今后研究者的完善与改进。并且因为树木的几何复杂性，对树木的测量以及GreenLab参数拟合等都有较大的困难，目前将 GreenLab应用于树木的研究还比较困难。二、树木绘制树木的几何模型只是树木可视化的基础，要实现树木的可视化还需要使用合适的算法将树木模型绘制出来。树木绘制就是利用计算机图形学技术处理树木三维几何结构， 生成逼真图像的过程。随着树木建模方法的不断丰富和完善，人们对树木的绘制技术越来越重视，针对树木结构复杂、数据量庞大等特点，人们提出了较多的绘制算法，按照绘制元素的不同主要归为三类1)基于几何的绘制方法；幻基于图像的绘制方法；；3)体绘制方法。1)基于几何的绘制方法是采用扫描线绘制方法、光线跟踪方法、辐射度方法、 PhOton mapping技术等来直接绘制树木的几何模型。树木几何模型较逼真，对模型光照、纹理、阴影及反走样的处理细致，可生成非常逼真的效果。但由于逼真的树木几何模型往往面片数量很大，使得这种方法的真实感绘制效率很低，难以满足实时或交互应用的需求。2)基于图像的绘制方法。基于图像的绘制利用纹理图像在视觉上模拟树木的几何，实现简单，面片数少，绘制效率高。基于图像的绘制技术是从图像角度出发，通过插值、 混合、变形等操作生成一定范围内不同视点处的图像，这一方法能够极大的减少绘制几何图元的数量，提高绘制速度，在交互式系统中得到了广泛的应用。其中，绘制的逼真度取决于纹理图像的精细度，并且由于图像是离散的数据，但当视点较近时，图像数据不能细分，失真现象比较明显。而且，该方法只是用一个或几个面片来表示树木，并没有建立真正的树木几何模型，不能应用于动态光照、树木枝条的随风摆动等复杂效果的模拟。3)体绘制方法。体绘制方法与树木的几何复杂度无关，并可以得到图形加速硬件的支持，近些年，随着算法的不断改进和计算机硬件的高速发展，体绘制技术已经成为构造复杂自然场景的重要工具，在森林场景的实时绘制领域有了大量的应用。但在体绘制中，整棵树木，甚至一片林子都是一个无法分割的整体，使得难以对树木的各部分区域分别进行控制与修改，也不易表达树木的复杂动态效果，在灵活性上显得不足，并且体绘制数据存储量大，计算时间较长，在应用上受到一定的限制。综上，现有植物可视化模拟技术还存在着以下不足1)对于树木建模，现有技术没能将树木的外观形态与其内部的生物学机理充分统一起来，没能建立充分反映树木生长规律的几何模型。2)对于树木绘制，现有技术不能在提高绘制真实感的同时提高绘制速度，没有能提供具有良好视觉效果的快速绘制技术。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于广义参数化建模的树木模拟方法，能将树木的外观形态与其内部的生物学机理充分统一起来，能建立充分反映树木生长规律的几何模型。为了解决上述问题，本发明提供了一种基于广义参数化建模的树木模拟方法，包括步骤一，输入与树木生长相关的非几何参数；步骤二，依据所述非几何参数选定并读取对应几何数据文件；其中几何数据文件通过如下方式生成基于实测数据对一树种功能结构模型进行校准，获得所述树种的功能结构模型，然后利用所述功能结构模型生成所述树种的对应不同非几何参数值的几何数据文件；步骤三，根据所述几何数据文件建立初步模型；步骤四，输入树木的几何参数对所述初步模型进行调整，获得树木模型；步骤五，对所述树木模型进行快速真实感绘制。优选的，上述的树木模拟方法中，所述非几何参数包括树种、年龄、季节和/或水分胁迫度；所述几何参数包括胸径、基径、树高、枝下高、着枝角度和/或弯曲度。优选的，上述的树木模拟方法中，所述树木模型基于二叉树表达树木的几何结构信息和拓扑结构信息。优选的，上述的树木模拟方法中，所述二叉树以树木主干作为根结点，每个主干上的侧枝按照由底到顶的顺序排序，以第一个侧枝为左子树，以兄弟结点为右子树，其中所述根结点没有右子树。优选的，上述的树木模拟方法中，在所述步骤五之前，还包括根据枝条对树木生物量和对视觉效果的贡献度对枝条进行排序，然后剔除排序在阈值之后的枝条以简化所述树木模型。优选的，上述的树木模拟方法中，在所述步骤五中，通过类散射的方法绘制叶片的半透明效果；通过阴影图方法绘制树木的阴影。优选的，上述的树木模拟方法中，还包括根据树木生长过程曲线，在各个离散状态时间点的树木模型之间进行插值计算， 从而生成模拟树木生长发育过程的连续动画。优选的，上述的树木模拟方法中，在所述步骤五中，通过采用顶点缓存，一次性将数据提交到绘制流水线的第一步，从而减少数据传输，实现绘制加速。为了更好的实现上述目的，本发明还提供了一种基于广义参数化建模的树木模拟装置，包括输入模块，用于输入与树木生长相关的非几何参数；
数据获取模块，用于依据所述非几何参数，选定并读取对应几何数据文件；其中几何数据文件通过如下方式生成基于实测数据对一树种功能结构模型进行校准，获得所述树种的功能结构模型，然后利用所述功能结构模型生成所述树种的对应不同非几何参数值的几何数据文件；建模模块，用于根据所述几何数据文件建立初步模型；调整模块，用于输入树木的几何参数对所述初步模型进行调整，获得树木模型；绘制模块，用于对所述树木模型进行快速真实感绘制。优选的，上述的树木模拟装置中，还包括简化模块，用于根据枝条对树木生物量和对视觉效果的贡献度进行排序，然后剔除排序在阈值之后的枝条以简化所述树木模型；效果模块，用于通过类散射的方法绘制叶片的半透明效果；通过阴影图方法绘制树木的阴影；插值模块，用于根据树木生长过程曲线，在各个离散状态时间点的树木模型之间进行插值计算，从而生成模拟树木生长发育过程的连续动画；加速模块，用于通过采用顶点缓存，一次性将数据提交绘制流水线的第一步，从而减少数据传输，实现绘制加速。与现有技术相比，本发明实施例具有以下效果1)本发明实施例提出并实现了广义参数化树木建模的方法，将树种、年龄、季节、 培育条件等作为参数建立树木模型，并能通过胸径、基径、树高、枝下高、着枝角度和弯曲度等参数调整树木模型。该建模方法将树木的几何外观与其生物学特性有机结合起来，有利于生成反映树木生长规律的几何模型，能顺畅自然地模拟树木生长过程。2)本发明实施例提出基于二叉树的树木拓扑结构表达以及树木几何结构数据存储的方法，二叉树结构是按照类似自然界中树结构来定义的，是重要的信息组织形式，利于树木建模和生长模拟。本发明实施例定义的二叉树结构能清晰地表达树木的拓扑结构关系，并能清晰地表达各级枝条的继承关系和各个枝条不同年龄的对应关系。本发明实施例定义的基于二叉树的树木结构表达能依据枝条对树木生物量和对视觉效果的贡献度进行树木结构简化。3)本发明实施例根据树木生长规律和基于二叉树的树木结构表达，建立了适用于模拟树木生长的生长方程，并将树木的生长过程变化体现为树枝长度、半径、位置、树叶位置和数量的变化，对这些变化进行生长插值计算，实现了树木的平滑生长过渡。4)另外本发明实施例基于Siadow map(阴影图)技术实现了树木阴影的绘制， 以及采用近似散射的方法实现了树叶的半透明效果，提高了树木绘制的真实感。结合图形硬件的可编程特性，树枝和叶片的绘制以及生长过程插值均在可编程GPU中进行，并采用 Geometry Shader的自动装配功能生成树木的三角形网格，提高了绘制速度，加速了模型的显不。
图1是GreenLab功能模型的模拟流程图；图2是本发明实施例提供的方法的步骤流程图3是本发明实施例提供的几何参数的定义示意图；图4是本发明实施例提供的树枝平移的示意图；图5是本发明实施例提供的枝条着枝角变化示意图；图6是本发明实施例提供的枝条弯曲度变化示意图；图7是本发明实施例提供的树木三叉树结构表达示意图；图8是本发明实施例提供的树木二叉树结构表达示意图；图9是本发明实施例提供的树木生长过程曲线；图10为本发明实施例提供的树木模拟装置的结构图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步说明。图2是本发明实施例提供的方法的步骤流程图，如图2所示，基于广义参数化建模的树木模拟方法包括步骤101，输入与树木生长相关的非几何参数；步骤102，依据所述非几何参数，选定并读取对应几何数据文件；其中几何数据文件通过如下方式生成基于实测数据对一树种功能结构模型进行校准，获得所述树种的功能结构模型，然后利用所述功能结构模型生成所述树种的对应不同非几何参数值的几何数据文件；步骤103，根据所述几何数据文件建立初步模型；步骤104，输入树木的几何参数对所述初步模型进行调整，获得树木模型；步骤105，对所述树木模型进行快速真实感绘制。其中，所述非几何参数包括树种、年龄、季节和/或水分胁迫度；所述几何参数包括胸径、基径、树高、枝下高、着枝角度和/或弯曲度。可见，本发明实施例依据与树木生长相关的非几何参数和结构功能模型 (GreenLab)来建立初步模型，并能通过几何参数调整获得树木模型。因此，本发明实施例将树木的几何外观与其生物学特性(非几何参数)有机结合起来，有利于生成反映树木生长规律的几何模型，能顺畅自然地模拟树木生长过程。其中，所述树木模型基于二叉树表达树木拓扑结构信息并存储树木几何结构信息。所述二叉树以树木主干作为根结点，每个主干上的侧枝按照由底到顶的顺序排序，以第一个侧枝为左子树，以兄弟结点为右子树，其中所述根结点没有右子树。二叉树结构是按照类似自然界中树结构来定义的，是重要的信息组织形式，利于树木建模和生长模拟。因此，本发明实施例定义的二叉树结构能清晰地表达树木的拓扑结构关系，并能清晰地表达各级枝条的继承关系和各个枝条不同年龄的对应关系，还能依据枝条对树木生物量和对视觉效果的贡献度进行树木结构简化。在所述步骤105之前，还包括根据枝条对树木生物量和对视觉效果的贡献度进行排序，然后剔除排序在阈值之后的枝条以简化所述树木模型。本发明实施例中，绘制采用以下技术在所述步骤105中，通过类散射的方法绘制叶片的半透明效果；通过阴影图方法绘制树木的阴影；根据树木生长过程曲线，在各个离散状态时间点的树木模型之间进行插值计算，从而生成模拟树木生长发育过程的连续动画；通过采用顶点缓存，一次性将数据提交到绘制流水线的第一步，从而减少数据传输，实现绘制加速。以下，对广义参数化建模、二叉树、GPU绘制等等进行细致说明。(一 )广义参数化建模参数化建模概念最早用于工业设计，是指设计对象的结构形状比较定型，可以用一组参数来约定尺寸关系，通过改变尺寸驱动设计结果的修改。植物的参数化建模是在保持植物拓扑规律基本不变的前提下，改变植物几何结构的尺寸、形态以及角度，用有限个几何图元来完成对植物外观模型的构造的建模方法。本发明实施例提出的广义参数化建模的主要参数不仅包含胸径、基径、树高、枝下高、着枝角度和弯曲度等几何参数，还包含年龄、季节、水分和树种等非几何参数。先通过非几何参数调用不同的几何数据文件，建立相应的树木模型，然后可根据几何参数的调整修改树木模型。本发明实施例对杨树107和京2杨两个杨树树种进行了测量实验，并基于大量的实测数据对该两树种的GreenLab模型进行了校准，获得了其功能结构模型参数。如前所述，QINGYUAN软件根据该两树种的功能结构模型进行计算，输出其几何数据文件。这样，本发明实施例所实现的系统，可以对杨树107和京2杨两个树种进行处理，即“树种”参数取值范围为该二值。此外，“年龄”和“季节”均为时间尺度，根据年龄和季节的变化调用不同几何数据文件，建立相应树木模型；“季节”参数用于控制树木外观四季变化，有春、夏、秋、 冬四值；“水分条件”参数用于控制树木的培育条件，取值有轻度胁迫、中度胁迫和正常供水三种。以上为树木模型的非几何参数，而其几何参数的定义如图3所示胸径为树木 1.3m高处的树木主干直径，基径为树木主干底部的直径，树高为树干总长度，枝下高为主干上第一个侧枝距主干底部的距离，着枝角度为侧枝与主干夹角，弯曲度为侧枝各个节间的夹角。本发明实施例中提到的着枝角度和弯曲度均为二级侧枝的着枝角度和弯曲度。本发明实施例通过上述几何参数来调整树木模型，改变树木的外观形态。通过修改各个几何参数从而驱动树木外观形态的调整，使得树木模型更加逼真。几何参数变化对树木模型的调整只针对主干和二级枝条，其他枝条或者叶片的位置变换依据其父枝条的变换。本发明实施例树木主干是由多个节间组成，主干上各个节间的长度相同，当修改树高时，为了保持树木整体相对位置的不变，根据树高的变化来修改节间的长度，从而达到修改树高的效果。枝下高为主干上第一个侧枝距主干基部的距离，本发明实施例提到的枝下高用实际枝下高与树高的百分比来代替。当修改树木枝条高时，第一个树枝根据给定的值进行平移，但是平移时可能会出现如图4中几种情况第一种属正常情况，第一个树枝经平移未达到第二个枝条的位置。第二种情况，第一个树枝经平移后，第二个枝条距主干底部距离变成枝下高，此时枝下高的值发生改变。第三种情况，第一个树枝经平移后，与同一类型的树枝分开，归类到另一簇枝条中，变化了树木的整体结构。而实际上树木枝条间距有一定规律，对杨树来说，同一年生枝条会集中在某一区域，称为簇。因此当修改枝下高时，可考虑平移第一簇的所有枝条，而不是第一个枝条。平移枝条时，根据定义的二叉树查找到第一簇所有枝及所有枝的子侧枝和所有叶片，根据修改的枝下高进行整体的平移。 树木枝条太多，着枝角度不一，为了便于计算，本发明实施例所有二级枝条采用同一着枝角度。当修改着枝角度时，所有二级枝条随之变化。着枝角度为侧枝第一个节间与主干间的夹角，在主干和当前侧枝组成的平面上，当前侧枝绕着主干旋转着枝角度，即为当前侧枝的最终位置。如图5所示，当着枝角度发生改变时，当前枝上各个节间之间的相对位置不变，每个枝条的第一个节间位置％不会发生改变，因此当前枝上其他节间的位置均根据第一个节间的位置平移获得。
权利要求
1.一种基于广义参数化建模的树木模拟方法，其特征在于，包括 步骤一，输入与树木生长相关的非几何参数；步骤二，依据所述非几何参数选定并读取对应几何数据文件；其中几何数据文件通过如下方式生成基于实测数据对一树种功能结构模型进行校准，获得所述树种的功能结构模型，然后利用所述功能结构模型生成所述树种的对应不同非几何参数值的几何数据文件；步骤三，根据所述几何数据文件建立初步模型；步骤四，输入树木的几何参数对所述初步模型进行调整，获得树木模型；步骤五，对所述树木模型进行快速真实感绘制。
2.根据权利要求1所述的树木模拟方法，其特征在于， 所述非几何参数包括树种、年龄、季节和/或水分胁迫度；所述几何参数包括胸径、基径、树高、枝下高、着枝角度和/或弯曲度。
3.根据权利要求1或2所述的树木模拟方法，其特征在于，所述树木模型基于二叉树表达树木的几何结构信息和拓扑结构信息。
4.根据权利要求3所述的树木模拟方法，其特征在于，所述二叉树以树木主干作为根结点，每个主干上的侧枝按照由底到顶的顺序排序，以第一个侧枝为左子树，以兄弟结点为右子树，其中所述根结点没有右子树。
5.根据权利要求3所述的树木模拟方法，其特征在于，在所述步骤五之前，还包括根据枝条对树木生物量和对视觉效果的贡献度对枝条进行排序，然后剔除排序在阈值之后的枝条以简化所述树木模型。
6.根据权利要求3所述的树木模拟方法，其特征在于，在所述步骤五中，通过类散射的方法绘制叶片的半透明效果；通过阴影图方法绘制树木的阴影。
7.根据权利要求6所述的树木模拟方法，其特征在于，还包括根据树木生长过程曲线，在各个离散状态时间点的树木模型之间进行插值计算，从而生成模拟树木生长发育过程的连续动画。
8.根据权利要求7所述的树木模拟方法，其特征在于，在所述步骤五中，通过采用顶点缓存，一次性将数据提交到绘制流水线的第一步，从而减少数据传输，实现绘制加速。
9.一种基于广义参数化建模的树木模拟装置，其特征在于，包括 输入模块，用于输入与树木生长相关的非几何参数；数据获取模块，用于依据所述非几何参数，选定并读取对应几何数据文件；其中几何数据文件通过如下方式生成基于实测数据对一树种功能结构模型进行校准，获得所述树种的功能结构模型，然后利用所述功能结构模型生成所述树种的对应不同非几何参数值的几何数据文件；建模模块，用于根据所述几何数据文件建立初步模型； 调整模块，用于输入树木的几何参数对所述初步模型进行调整，获得树木模型； 绘制模块，用于对所述树木模型进行快速真实感绘制。
10.根据权利要求9所述的树木模拟装置，其特征在于，还包括简化模块，用于根据枝条对树木生物量和对视觉效果的贡献度进行排序，然后剔除排序在阈值之后的枝条以简化所述树木模型；效果模块，用于通过类散射的方法绘制叶片的半透明效果；通过阴影图方法绘制树木的阴影；插值模块，用于根据树木生长过程曲线，在各个离散状态时间点的树木模型之间进行插值计算，从而生成模拟树木生长发育过程的连续动画；加速模块，用于通过采用顶点缓存，一次性将数据提交绘制流水线的第一步，从而减少数据传输，实现绘制加速。
全文摘要
本发明提供了一种基于广义参数化建模的树木模拟方法，包括步骤一，输入与树木生长相关的非几何参数；步骤二，依据所述非几何参数选定并读取对应几何数据文件；其中几何数据文件通过如下方式生成基于实测数据对一树种功能结构模型进行校准，获得所述树种的功能结构模型，然后利用所述功能结构模型生成所述树种的对应不同非几何参数值的几何数据文件；步骤三，根据所述几何数据文件建立初步模型；步骤四，输入树木的几何参数对所述初步模型进行调整，获得树木模型；步骤五，对所述树木模型进行快速真实感绘制。本发明能将树木的外观形态与其内部的生物学机理充分统一起来，能建立充分反映树木生长规律的几何模型。
文档编号G06T13/60GK102289846SQ201110265440
公开日2011年12月21日 申请日期2011年9月8日 优先权日2011年9月8日
发明者刘冬香, 曹卫群 申请人:北京林业大学