一种基于本体和特征综合推理的植物建模方法

陈冬丽， 苏礼楷, 柳 薇

(1.华南师范大学计算机学院，广东广州 510631；2.广东商学院教育技术中心，广东广州 510320)

一种基于本体和特征综合推理的植物建模方法

陈冬丽1， 苏礼楷2*, 柳 薇1

(1.华南师范大学计算机学院，广东广州 510631；2.广东商学院教育技术中心，广东广州 510320)

介绍了植物模拟的研究背景，讨论了当前的植物建模的方法以及它们的特点，提出了基于本体和特征综合推理的植物建模方法. 将植物学领域本体应用于植物建模中，以高等植物的叶片为例子对本方法的建模过程进行阐述.

本体； 综合推理； 植物模拟； 几何模型

计算机建模[1]的目的是通过构造一个简单的但能反映物理世界中真实对象的数学抽象描述模型来模拟被研究对象的生成、发展及变化的过程，从而为解释现象、揭示机理、发现规律、预测未来、模拟外形提供有力的工具.

植物形态结构的计算机模拟是一项很有意义的研究工作. 植物是自然界最常见的景观之一，其种类繁多，形态万千，具有复杂的形态特征. 对自然界的植物形态及生长发育进行建模，一方面对于探索植物生长过程的规律，深化对农学、植物学的研究具有重要的意义；另一方面，植物模拟在艺术设计、动画制作、游戏开发等领域也有广泛应用. 在过去的三十多年中，植物模拟的研究和应用已经得到了相当程度的发展[2]. 但是，各种建模方法仍有其各自的适用范围和局限性. 例如基于几何参数方法的植物建模方法以单纯的数学方法在实现各种植物构造模型方面能力仍然有限，如真实感比较差，建模工作量大，同类植物缺乏个性；而基于植物图像的建模方法也存在着自身的瓶颈，如植物与背景难以融合，植物造型受到视点位置影响，需采集大量真实图片；基于生物学机理与环境控制的建模方法提出了一种植物模拟的新思路，可以更精确、更具体、更本质地对植物进行模拟. 但是由于生物本身的机理非常复杂，物种差异性较大，具体应用和实施这种策略工作量很大. 可以说，到目前为止以植物为对象的建模方法远未完善.

1 植物形态建模的研究现状

以植物为研究对象的计算机模型可以有多种分类形式，其模型分类的依据常常因观察问题的角度以及解决问题的策略不同而不同. 纵观植物建模工作的研究历程，根据建模策略的不同，可以划分为以下4种类型.

1.1基于几何参数方法的植物建模

基于几何参数方法的植物建模通过构建不同的数学模型，力求模拟更真实的植物. 已有的基于几何参数的建模方法有：LINDENMAYER[3]提出了基于文法、侧重于植物拓扑结构的L-系统，并由Prusinkiewicz将其用于树木及其他植物的造型；随后，有学者对L-系统做出改进、拓展，提出了允许与环境因素交互的开放的L-系统——Open L-系统[4]；REEVES[5]提出了注重于模拟花、草、树整体环境的粒子系统；AONO[6]建立了树木的三维结构模型(GMT1～GMT4)，并在此基础上提出了A-系统；WEBER等人[7]提出了“边生长、边修正”的模拟树木分步生长的模拟方法.

1.2基于植物图像的建模方法

“基于图像的造型(Image-based modeling)”[8]是指通过对一幅或多幅图像的分析和处理，获得图像中物体三维几何描述的技术. 就目前技术而言，完全自动地从图像中分离出某自然景物的几何和拓扑结构是不可能的，必须加入人的干预. 在这种方法中，首先交互地分割出树木的枝干，而后进一步提取每一枝干的“骨架”，然后基于“骨架上的点为均匀分布”这一假设，构造出对应枝干上的对应点，最后利用视觉的三维重建技术恢复枝干的三维造型.由于取材于真实的自然树木，应用这种方法得到的树木造型具有较强的真实感；由于是基于图像，因而造型方法与具体树种无关，具有很强的独立性和普适性；由于采用交互技术，造型过程变得简单直观，有着较强的实用性.

1.3基于生物学机理与环境控制的建模方法

基于生物学机理和环境控制的建模方法[9]将植物模拟的动态模型构建为由3个模型和1个控制机组成，即几何模型、生物模型、环境模型和模拟控制机.该模型的工作原理：模型接收用户提交的具体环境数据，用于建立环境模型；接收用户提交的植物特征数据和初始结构数据用于建立植物初始几何模型；接收植物生长特性数据和植物运动特性数据用于建立生物模型. 随后，在时间序列驱动下，模拟控制机构计算形态结构的变化，并控制几何模型完成这些变化的几何计算，从而得到植物生长过程某一时刻的三维结构. 该方法不单是追求植物形态外观的显示效果，而且是基于植物自身的生物学机理及生长环境的控制，能够更好地描述植物形态，达到了更精确、更具体、更本质的要求.

1.4基于特征综合推理的建模方法

综合推理[10]是一种具有生产性、创新性等特点的新型推理模型. 综合推理的输入是一个或多个综合源及综合要求，输出是综合结果. 基于特征综合的植物建模方法将推理应用于植物模型的创建中，将用户已创建好或已整理好的植物模型作为综合源，由用户所期望表达的语义特征作为综合要求. 结果模型在综合要求的高层语义指导下，通过分解、综合、内插、外推等手段，直观地构造出用户期望的植物三维模型. 基于上述思想创建的植物三维模型，不但可以直接利用前人积累的优秀创作素材，而且综合源和综合要求的指定也比较直观，显式地反映了用户的意图，有助于快速得到用户所期望的植物模型，为用户提供了一种新颖的植物建模方法.

2 基于本体的特征综合推理建模

在现有植物形态模拟建模方法的基础上，针对植物模拟的效率以及植物模型的可复用性，提出了一种基于本体和特征综合推理的植物建模方法：以植物的几何模型作为推理的综合源，输入植物特征的综合描述作为用户期待表达的语义特征，通过植物本体及其推理规则的推理，获得符合用户要求的几何参数实例，再利用图形接口将参数实例进行图形输出. 由于自然界存在的植物结构多样，对植物本体的提取工作非常复杂，故本文以高等植物的叶片为例子，对建模的方法进行阐述.

为了对植物叶片进行基于本体和特征综合推理的建模，必须实现以下的工作：

(1)分析和抽取描述叶片形态的特征，作为用户进行植物模拟时表达所期望的语义；

(2)给出叶片的几何模型，实现叶片特征的形式化表示；

(3)定义植物叶片的领域本体，并依据叶片特征与几何模型之间的关系，构建相应的推理规则；

(4)图形接口和系统框架的实现.本系统的设计框架，如图1所示.

图1 基于本体和特征综合推理系统设计框架

Fig.1 The design framework based on ontology and features synthesis reasoning

2.1分析和提取描述叶片形态的特征

植物叶片是组成植物体最重要的组成部分之一.不同的叶片大小和形状在不同种类的植物中差异性很大，但是对于一种植物而言是比较稳定的特征，可以作为鉴别植物的依据. 文章根据植物学的有关知识，抽取出植物叶片的形态特征，建立了植物叶片的特征描述体系.图2是叶片特征描述体系的一部分.

图2 植物叶片特征(部分)

由图2可知，叶片的形状由叶形、叶尖、叶基、叶脉、叶缘、叶缺、叶质等部分综合地决定.每一部分又有其各自不同的形态特征，如叶形的具体描述就有披针形、椭圆形、倒卵形、心形等等.

2.2叶片特征的形式化

叶片的形态模拟实际上是一个叶片的几何建模问题，通过对叶片形态结构的分析和抽象，设计出能近似表示叶片真实形态的几何模型，然后以计算机理解的形式化语言，实现叶片形态结构的数据表示和图形输出. 叶片的形态模拟可以利用前人已经建立的模型，也可以自己建立模型，通过实验确定满足特征约束的一组参数.

文章基于三次样条曲线，定义叶形的几何模型为一个六元组Leaf(L,θ0,φ0,f1,f2,F)， 其中，L为叶片的主脉向量，决定叶片大小和位置；θ0和φ0分别表示叶尖角和叶基角，影响叶尖和叶基的形状；f1、f2分别为θ0、φ0的控制函数，影响叶片的边缘形状；F为基于模型的三次样条生成算法. 表1给出了部分叶片特征与几何参数的对应关系.

表1 叶形特征与模型参数的关系

2.3本体的构建和推理规则的建立

植物叶片本体作为叶片模型语义推理的基础，可用于自动生成符合用户要求的模型参数实例. 构建植物叶片领域本体目的是解决特征的语义推理问题，即经过推理确定满足输入叶片特征语义要求的一组参数实例.

2.3.1 本体库的词典 建立植物领域本体库，其目的主要是建立植物叶片模拟中所涉及到的各种实体和资源之间的关联，通过建立本体可清楚地了解各相关的概念与限制条件，这些可作为后续综合推理的基础. 植物叶片本体作为叶片模型语义推理的基础，可用于自动生成符合用户要求的模型参数实例.

叶片模型推理过程中会涉及到的植物学概念主要有：叶片、叶形、叶尖、叶基、叶脉等.此外，还包括与上述特征相对应的几何模型实体. 相关实体如下：

叶形模型：主要用于描述叶形的特征参数.

叶尖模型：主要用于描述尖部的特征参数.

叶基模型：主要用于描述基部的特征参数.

叶片：主要包含叶形、叶尖、叶基和叶脉等特征.

叶形：主要用于描述叶形的性质，如披针形、椭圆形、倒卵形等.

叶尖：主要用于描述叶尖的性质，如骤尖的、渐尖的、急尖的等.

叶基：主要用于描述叶基的性质，如偏斜的、渐狭的、心形的等.

2.3.2 构建属性 植物叶片本体对象的属性可分为对象属性和数据属性.数据属性是用于描述叶片特征的几何模型的参数，它的值域是数值的范围，如用于描述叶片的叶尖角、叶基角的角度参数.

对象属性是用于规范本体库中的实例，确定实例在哪些类中可以使用，而对象属性的值是本体库中的实例，如叶形为椭圆形的实例.

2.3.3 构建实例库 实例库是系统提供给用户检索的实例的集合. 为本体库预先定义好实例，可以用2种不同的实例生成方法：(1)计算机自动生成，根据数据属性的约束条件，利用有关统计规律，如正态分布规律来随机产生一组实例. (2)人工手动输入，由本体开发人员预先输入满足某种特征语义的参数实例. 定义好的实例保存在实例库中，用户输入植物叶片是特征描述，系统则根据推理规则的要求，在实例库中检索满足条件的数据，进行输出.

2.3.4 构建推理规则 建立推理规则的目的是根据叶片特征与模型参数的关系，在叶片特征的实例库中，检索满足用户所期待的语义的实例，实现基于特征综合推理的叶片形态模拟. 推理的过程是将人对植物特征的描述，转换为计算机可以理解的逻辑条件，并实现计算机的自动推理输出.叶片的形态一般由若干个参数的取值约束来确定.

2.4图形接口的实现

图形接口实现了一个叶片形态的图形模拟系统，主要完成以下3个方面的功能：

(1)图形生成：以叶片特征综合推理得到的参数实例为输入，依据定义好的有关模型和算法，生成叶片模拟所需的图形数据.

(2)图形数据存储：存储生成的叶片图形数据到外部存储设备，如磁盘文件、数据库等.

(3)图形输出：输出有关的叶片图形到显示器、打印机等终端.

2.5实验结果及分析

2.5.1 特征实例的选取 选择4组不同的叶片特征实例(如表2所示)，作为综合推理的综合要求，以已经建立的实例库作为综合推理的综合源.

表2 叶片特征的实例选取

2.5.2 推理结果 对选取的叶片特征实例进行综合推理，并将推理结果中满足特征语义要求的第一组模型参数实例进行输出，表3所示为叶形特征的参数选择结果.

表3 推理结果的模型参数实例

2.5.3 参数实例的图形输出 将推理得到的模型参数进行图形生成及输出，结果如图3所示．

图3 叶片特征输入对应的图形输出

2.5.4 结果分析 本文选取4种不同叶形特征的实例进行实验，基于文中给出的几何模型和相关推理规则进行推理，得到了满足叶形语义特征的一组几何参数，并对推理的结果进行图形输出. 实验的结果说明了本文方法所生成的图形基本满足了选取的叶形特征；能基于特征推理，快速生成用户期待的模型. 但是，文中的方法也有许多不足之处，如构造的几何模型为二维的，其叶缘曲线也简化为光滑曲线，使得图形的真实感较差. 此外，研究的对象也仅限于植物的叶片，对植物其他部分的研究尚未涉及.

3 结论

近几年来本体论和语义网技术的不断发展，为计算机图形建模技术带来了新的机遇. 特别是领域本体的发展，使得其它学科与计算机科学的交叉更为广泛，同时也促进了其它学科的进一步发展. 本文将植物学和本体论应用于植物的模拟，提出一种新的植物建模方法.

基于本体和特征综合推理的植物建模方法，在叶片形态的基础上抽象出几何特征，建立本体库和相应的植物叶片模型，再通过植物叶片本体库和推理规则的建立完成植物叶片的模拟. 用户输入叶片的形态特征来描述建模的具体要求，具有建模效率高、更加方便、直观的特点. 另外，基于本体和叶片模拟的几何参数实例库共享已有的植物模型，能够有效地提高植物模型的复用性.

本文探讨了计算机图形学、植物学和本体论在植物模拟领域相结合的应用模式，为相关方面课题的研究做出初步的探索，但仍存在许多不足及局限，需要在后续的工作中不断总结与改进. 本文的建模对象仅仅是高等植物的叶片，随着研究的深入，建模的对象将扩展到整株植物.

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Keywords： ontology； synthesis reasoning； plant simulation； geometry model

【责任编辑 庄晓琼】

ANEWMODELINGMETHODOFPLANTSBASEDONONTOLOGYANDFEATURESSYNTHESISREASONING

CHEN Dongli， SU Likai， LIU Wei

(1.School of Computer, South China Normal University, Guangzhou 510631, China； 2.Centre of Educational Technology, Guangdong University of Business Studies, Guangzhou 510320, China)

Plant simulation research background was introduced, and the current modeling methods and their characteristics were discussed. A new modeling method of plant simulation based on ontology and features synthesis reasoning is brought. Botany domain ontology is applied to plant modeling. The leaves of higher plants were used as examples to elaborate the process of this method.

2009-11-06

陈冬丽(1983—)，女，广东揭阳人，华南师范大学2007级硕士研究生，主要研究方向：图像处理及图形学，Email：chen_dongli@126.com；苏礼楷(1982—)，男，广东潮州人，广东商学院助理实验师，主要研究方向：图像处理及图形学,Email：likai.su@126.com.

*通讯作者

1000-5463(2010)02-0045-05

TP391

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