基于L系统改进的虚拟植物原型系统设计（重庆大学计算机学院，重庆400044）摘要：设计实现了基于L系统改进的虚拟植物可视化原型系统。该原型系统实现了微机平台上可视模拟植物生长，并取得了较好的试验效果。系统设计思想以植物可视外观展现为主要目的，结合了L系统和基于图像建模的优点，对植物器官的建模方法是基于能够反映植物器官主要特征的表面建模。其实现思路是在L系统所描述的植物拓扑结构的基础上,对预先定义好的植物器官网格面进行装配。与L系统相比较，有更好的外观效果和较低的时间复杂度。关键词：虚拟植物；L系统；网格面中图法分类号：TP391文献标识码：A：10013695(2006)08023203DevelopmentPrototypeofVirtualPlantBasedonImprovedLSystemLIYunfeng,ZHUQingsheng,FUHegang,GUPing(CollegeofComputerScience,ChongqingUniversity,Chongqing400044,China)Abstract:AprototypeofvirtualplantbasedonimprovedLsystemisdesigned.Theplatformcanrunwellonpersonalcomputer,andachievedgoodvisualresultofsimulatingthegrowthofvirtualplant.ThemethodcombinesthecharacteristicofLsystemandthevisualresultofimagemodeling.ToconstructmainstemandmajorbranchbasedonLystem,growingtheremainderoftheplantbasedonplantorgansmodelofmesh.TheproposedmethodreducedthecomplexityofLsystem,andresultedinrealisticviewofvirtualplant.Keywords:VirtualPlant;LSystem;Mesh自然植物计算机模拟一直是计算机图形学的研究热点。如何对植物模型进行有效的控制是亟待解决的问题：模型参数过少不足以表现植物复杂多样的各种特征；参数过多则可能导致模型过于复杂，实际应用困难。L系统是一种形式语言，其本质是一个重写系统，它通过对公理应用产生式进行有限次迭代后，对产生的字符串进行几何解释，就能生成非常复杂的图形。L系统侧重于植物拓扑结构的表达，具有坚实的数学理论基础、定义简洁、结构化程度高、易于实现等优点。但该方法无法预测植物的最终生成形状，对重写过程很难有效控制；同时L系统过于复杂，稍微复杂的植物其L系统规则提取困难。基于粒子的系统，如AMAP模型将地球上的植物归类为二十多个植物结构基本模型。对于某种植物，系统通过模式识别方法提取生长规则，进行定性分析，确定描述其结构的基本模型。在此基础上对植物结构进行定量化，应用几何方法表达其形态规律。本文基于一种新的建模方法（称之为EasyL系统），该方法结合了L系统和基于图像建模方法的优点。其基本思路是对植物主干的分枝仍采用传统L系统建模，细节部分则采用植物器官网格面进行建模。系统利用L系统对植物主干建模表达能力强的优点，改进了单一采用L系统进行植物建模时，时间复杂度比较高以及对生成的植物外观可控性差的缺点。因此EasyL系统与经典L系统相比较，在时间复杂度上有较好的改善。在此基础上设计了一种基于L系统改进的虚拟植物可视化原型系统（VP1.0），满足了在机器配置比较低的情况下模拟植物的生长要求。1EasyL系统EasyL系统结合了L系统和基于图像建模的优点，对植物器官的建模方法是基于能够反映植物器官主要特征的表面建模。例如，对于叶建模主要提取叶的正面轮廓图像；对于树干建模，主要提取树干的横截面形状，然后采用图形变换方法（如拉伸、扭曲等方法）。EasyL系统优点主要有：①提高植物生长视觉效果。对于植物器官的建模是基于植物器官图像进行的，通过对能够反映植物器官特点的图像进行特征提取来生成植物器官图形符号，因此比L系统更加真实地反映了植物器官的特点，所以整株植物在视觉效果上优于L系统。②降低了时间复杂度。在L系统中，对时间复杂度要求高的就是L系统文法的迭代过程，其时间复杂度是呈几何级数增长的，因此在迭代步数较多的情况下，其时间复杂度是很高的。在EasyL系统中，将传统L系统对植物器官的细节部分的描述改为传统的基于表面的建模，有效地降低了系统的时间复杂度。系统注重植物可视化重建的视觉效果，不是严格符合植物的生理模型。其实现思路是在L系统所描述的植物拓扑结构的基础上,对预先定义好的植物器官的网格面进行装配的过程，即植物器...