L-系统的基本概念和示例

L -系统(L -system)是表达植物形态结构和生长规则的重要方法,因而是设计虚拟植物、模拟植物生长发育过程和农作物育种的重要工具。本文力求深入浅出而又不失严谨地介绍L -系统的基本概念、分类和典型示例。希望通过本文能引起广大农业科研工作者对L -系统的兴趣。

基于L-系统的植物模拟研究

该文根据L-系统原理,通过改变参数L-系统和随机L-系统的参数,得到同一类植物的不同基因组合,利用计算机模拟生成了丰富多样的植物形态。又根据L-系统符号解释的扩展,模拟了类似棕榈的植物生长平衡过程。

基于二叉树的上下文相关L-系统实现

从底层数据结构的角度讨论了上下文相关L-系统实现中的几个关键问题.结合L-系统的语法,解释了以二叉树为底层数据结构的新系统设计机理,提出了生长方式树和生长状态树的概念,给出了新的数据结构形式下生长状态演化算法的实现.与采用线性数组实现的L系统相比,新系统很好地模拟了L-系统本身的树形逻辑结构,简化了L-系统中上下文搜索的过程,在生长模拟环节有更高的时空效率,且具备更好的可扩展性.以虚拟植物生长为背景,介绍了如何基于新数据结构进行虚拟植物绘制和绘制优化,并通过实例验证了新算法的有效性.

基于组合型L-系统的单树建模工具的设计与实现

该文依据植物形态学和树木生长过程的生理生态学原理,提出由器官尺度上升单树尺度的L-系统文法规则组合拼接方法,该方法有利于L-系统树木形态和生长规则的重用,实现对树木形态拓扑结构的本真还原和科学模拟。该文设计了基于L-系统的单树建模工具软件的功能体系结构,并在VC++开发环境下采用OpenGL图形标准、VRML虚拟现实建模语言开发完成了单树建模工具软件-LSTree。LSTree具有模型输入输出、树木三维可视化、生长过程模拟等业务功能,以及良好的人机交互性能和灵活、科学的单树模型组织管理方式。该软件可用于精准农业,以及植物学和生态学方面的教研、宣教等专业研究与应用。

利用L-系统和Bezier曲面的植物花朵模拟模型

文章提出了一种模拟植物花朵的模型。在用L-系统描述花朵的拓扑结构的基础上,利用Bezier曲面表现花朵的几何结构,将花朵的拓扑结构和几何结构结合起来,给出了植物花朵的图形生成算法,并生成了苹果花朵具体实例。该算法简单直观,生成的图形形象逼真,真实感较强,再现了自然美,适合于娱乐和教育等应用领域。

用L-系统描述植物根系并实现其动态可控生长

文章提出了一种用形式化语言L-系统描述植物根部形态的建模方法,既体现了植物根系微观上的自相似性,又保证了模型应用中的可用性、真实性,并结合灵活的数据结构实现了其动态可控生长。

基于参数L-系统的三维树木仿真

研究利用参数L-系统对树木进行快速高效三维仿真的方法.首先对树木的抽象模型及参数L-系统进行简要分析,然后利用参数L-系统构建树木的初始骨架,并通过Hermite曲线拟合获取树木的优化骨架,在优化骨架与参数L-系统生成的树枝半径的约束下,利用Frenet标架与相关的三维几何理论重构树木的三维网格模型,同时结合树叶的简化模型完成整个树木三维模型的仿真,最后通过实验验证文中所提方法的可行性.实验证明,所提出的三维树木的仿真方法不仅有效地减少了模型的数据量,且能灵活地模拟各种形态的树木.

推广的三维L-系统及在树木模拟中的应用

L-系统是植物模拟的重要方法之一。然而用L-系统模拟既有弯曲又有扭曲的枝条,需要大量的产生式,并且很难提炼出这些产生式。通过把空间曲线理论同L-系统相结合,将L-系统的表示图形的字符联系了曲率函数和挠率函数,并且对L-系统中的字符进行了新的龟解释,得到了三维函数L-系统。使用三维函数L-系统绘制既有弯曲又有扭曲的枝条的植物时,L-系统简洁,参数解释自然,同时在编程时,容易控制枝条的长度。实验结果表明,通过调整函数L-系统中的曲率函数和挠率函数可以得到拓扑结构相同但形态差异较大的树。

扩展的分形L-系统与自然景观的动态模拟

介绍了L-系统的概念以及作图原理,在单规则作图机制的基础上,提出了伪L-系统的多规则产生式机制,同时把边长的随机性引入到L-系统中,得到了较为理想的自然景物。将上下文相关的L-系统在理论上进行了扩展,把控制参数引入其中之后,可以使图像按照既定的构想发生变化,得到了更加逼真的动态自然景观。

基于L-系统和Perlin噪声函数的风吹树动模拟

分析风中树木运动与其受力关系,提出采用在自然现象中观察到的Perlin噪声来模拟风场变化,利用L系统实现对三维树木的建模,应用材料力学知识分析树枝的运动细节,并得出影响树枝运动幅度大小的公式,编程实现结果表明,该方法模拟的树木运动逼真,可应用于游戏娱乐业和教育业中定型的树木运动模拟。

基于微分L-系统的水稻根系三维生长模型研究

植物根系结构是其根系的空间构型,水稻根系结构表现出高度的多样性。为了探明水稻根系结构和分布规律,利用水培法开展试验,测定不同生长时期的根系三维空间坐标和形态参数,对水稻根系结构进行高精度的测量。统计分析所测试验数据,确定了根节点的初始位置、各级枝根的生长方向以及根系的生长函数。通过整合水稻根系的拓扑结构,量化其生物学特征,提出基于微分L-系统的水稻根系三维生长模型,以描述水稻根系生长规律,并检验该模型输出结果的精度。借助Visual C++和Open GL标准图形库实现了水稻根系三维生长可视化模拟系统,直观再现了水稻根系动态的生长过程。对比分析表明,系统对总根长、根表面积和根体积的平均模拟拟合度分别为96. 82%、95. 86%和93. 96%。

基于L-系统的交互式虚拟植物结构建模

为了在植物模拟过程中能够实时地控制其形态,文中采用特定的L-系统描述植物结构,结合灵活的数据结构,使植物特征得以及时调整,较好地弥补了L-系统实时性的不足,达到了人机交互的效果.

基于L-系统规则组合机制的植物建模新方法

L-系统是基于植物学规则进行树木建模的经典方法之一,已被广泛地应用于虚拟植物生成与应用中,但在实际建模中还存在规则提取难,建模周期长等问题。针对这个问题提出了L-系统规则组合的建模新方法,该方法利于树木形态及生长规则的复用,从构建基本的分枝结构、叶序、花序和果实等器官不同造型库出发,并结合相关的植物形态学、植物生理生态学知识和野外实测的树木形态因子数据,进行器官模型组合,最终形成树木三维几何模型。最后以龙眼树等为建模实例,基于该方法快速实现了三维建模,取得了较好的效果。目前该方法较适于构建具有复杂器官的高大乔木,还不足以模拟所有的植物,通过介绍该方法,希望在一定程度上降低L-系统建模的难度,达到快速建模的目的。

基于分形L-系统的植株形态模拟

根据植株形态的分形特征及其自相似性 ,阐述了应用分形L -系统理论模拟植株形态的方法 。

二维L-系统的推广及在植物模拟中的应用

弯曲枝条的模拟是植物模拟的重要组成部分,L-系统是植物模拟的重要方法之一。如果用L-系统模拟弯曲的枝条,则需要大量的产生式。通过在产生式中增加弯曲符号以及描述弯曲程度的曲率函数得到了函数L-系统。利用函数L-系统模拟植物,在不改变产生式个数的情况下,通过调整曲率函数能够绘制出相同拓扑结构,但整体形态差异较大的植物;利用函数L-系统模拟具有弯曲枝条的植物,产生式简洁,同时在编程时,容易控制枝条的长度。

基于L-系统的3D虚拟植物冠层光合作用模拟模型

为定量分析植物冠层结构与光分布及光合作用之间的关系,模拟实际环境中植物冠层的实时光合速率,为诸如作物模型中产量估测提供一种植物冠层尺度光合生产力计算方法,本文构建了基于L-系统的3D虚拟植物冠层光合作用模拟模型。模型主要分为3部分:基于L-迭代文法系统与三维图形绘制技术构建3D虚拟植物冠层结构,利用正向光线跟踪及天空可见率算法模拟虚拟冠层内光辐射(Photosynthetically active radiation,PAR)传输,基于太阳几何参数、大气影响参数及地理位置等参数计算真实环境中虚拟冠层顶部实时PAR强度。利用此模型,直接输入或插值处理光合环境因子数值,采用单叶光合作用模型和相关呼吸作用模型,可计算冠层内净光合作用速率并进行周期内植物体生物量的积累估算。以实测的幼龄杉木为模拟对象,计算其冠层内净光合作用速率及周期内生物量积累,模拟结果表明,基于虚拟冠层的PAR分布模拟及其冠层光合作用速率计算,是一种对植株光合生产力估算的有效方法。

基于改进L-系统的树木生长动画实现

将改进函数L-系统与时控L-系统结合,通过对系统中枝条生长函数的分析和选择,使用多项式函数和指数函数作为生长函数,可以直观、连续地实现枝条生长的控制。结合计算机动画实现方法,实现了植物的连续生长动画。该算法思路清晰,容易实现,可控性较好。

基于L-系统的真实感树木生成算法与实现

为了降低虚拟场景中树木等地物的模拟难度,提出一种基于L-系统的三维树形生成算法。树形采用一种五元组的数据结构进行表示,利用L-系统的文法构图思想,采用多规则文法,简化树形的生成算法,并在该算法的基础上,结合真实纹理和透空树木的生成方法,构造一种真实感三维树木的生成方法,实现三维树木的真实感显示。试验结果表明,树形生成算法简单通用,利用该算法可以有效地模拟多种形态的树木,完全控制树木生成的数据量,可用于大型树木场景的建模中。

具有生长特征的L-系统模型研究

传统的L系统对于植物生长特征的表达是将表示分枝结构和枝节生长的产生式加以区别,迭代生成描述植物结构的文法系统并结合海龟解释实现植物的可视化模拟,很难真正体现植物生长过程中的"生命"特征。综合考虑L系统对植物生长的表达能力,将具有一定生理年龄和生长年龄的生长单元视为子结构,考虑植物生长的随机特性,植物的动态生长按照隐式马尔可夫过程进行状态转移,从而提出一种广义的L-系统模型,符合植物本身的生长机理。实例验证表明,提出的模型可快速、有效地实现虚拟植物的可视化模型的建立。

基于马氏链遗传与繁衍模型的随机L-系统

生物基因从亲代到子代的遗传具有马氏性,基于马氏链遗传与自繁衍模型的随机L-系统,将虚拟生物的形态生成模型与遗传生物学结合起来,同时,为人工生命的实现提供了有益的尝试。