虚拟植物研究进展

刘玉耀+张太红+古丽米拉·克孜尔别克

摘 要： 介绍了虚拟植物的研究意义，阐述了各种典型的虚拟植物建模方法，对不同的建模方法进行比较分析，总结了不同的建模方法的优点和不足之处，进而提出了虚拟植物研究中存在的问题。

关键词： 虚拟植物；生长模拟；植物建模

中图分类号：TP391.41

文献标志码：A

文章编号：2095-2163（2017）02-0075-04

Abstract：The research meaning of virtual plants are introduced. Then typical modelling methods of virtual plant are also expounded. Meanwhile， different modelling methods are concretely and systematically compared and analyzed. After that， the advantages and disadvantages of different modelling methods are summarized. Finally， the existing problems in the virtual plant research are further put forward.

Keywords：virtual plant； growth simulation； plant modeling

0 引 言

植物在自然界中，千姿百态，种类繁多，是自然景物的重要组成部分。从20世纪60年代开始，人们即已着手研究利用计算机模拟植物动态生长过程。由于技术的限制，研发建立的模型主要偏向于植物功能的模拟。近几十年来，随着科技的飞速发展和计算机处理能力的大幅提升，植物形态结构的计算机模拟也发展到了一个新时期，虚拟植物的概念随即应运而生。虚拟植物[1]涉及领域众多，包括计算机图形学、植物学、地理、农业、虚拟现实、遥感、土壤学等，是集众多领域门类科研成果之大成的新式交叉学科。此类研究是利用计算机图形学相关的知识对植物生长进行建模，模拟植物的动态生长过程，并通过虚拟现实技术[2]（Virtual Reality）显示植物在二维或三维空间中的生长发育过程和形态，从而在农林业、娱乐、科研教育等方面呈现出高效广泛的应用价值。本文将首先解读虚拟植物的研究意义，而后探讨论述了各种典型的虚拟植物建模方法，对不同的建模方法进行比较分析，总结阐释了不同的建模方法的优点和不足之处，最终指出了虚拟植物研究中存在的问题。

1 虚拟植物的研究意义

虚拟植物的研究主要集中在2个方向：一个是植物的外形，另一个是植物的生长过程。前者注重是否有逼真的形态，后者注重于是否依循植物学理论。目前，虚拟植物应用开始转向于精准农业和持续农业上，将虚拟植物技术应用在农业研究中具有至关重要意义，现将其概述如下。

1）应用虚拟植物技术进行虚拟农田试验，可以部分代替物质世界中难以实现或者费时、昂贵的试验，缩短某些课题的试验周期，加快功能研发进程。

2）通过观察虚拟害虫的生活习性，确定最适合的喷药方法和时间，减少成本，降低环境污染。

3）虚拟植物技術与遥感技术相结合，将遥感获取的数据应用到植物建模上，模拟选择区域的植物生长状况，从而合理灌溉和施肥，提高资源利用率。

2 虚拟植物的研究

2.1 虚拟植物的研究现状

二十世纪七十年代，针对虚拟植物研究，有关人员即已选择利用细胞自动生长来模拟植物的分枝过程。1968年，美国生物学家 Lindenmayer在论文中首次提出了一种基于“字符串重写”的文法系统，称为 L 系统（L-System）。澳大利亚研究机构基于L系统方法设计发布了虚拟植物软件Vitual Plants，可以用来模拟花生、小麦、玉米等农作物的生长，以及外界因素对植物生长的影响。加拿大Calgary大学在L系统建模方法基础之上又支持研发了L-studio，Virtual Laboratory等系列软件。20世纪80年代，法国农业发展国际会议中心以参考轴技术为基础，又独家研创了虚拟植物系统AMAP[3]。该系统将植物数据输入到植物数据库中，通过分析数据提取生长规则，从而建立植物生长模型。此外，国内还有赵星等分析目前主流的各类植物生长模型之后，认为仅有参考轴技术和L系统适合模拟植物的生长过程。具体来说，就是在自动机模型的基础上建立了双尺度自动机模型，该模型能够全面真实模拟虚拟植物生长，包含有微状态和宏状态两种尺度状态。双尺度自动机模型与其它模型相比，不仅能够精练地表达植物的拓扑结构，而且模型更加形象直观，易于理解和实现。

2.2 虚拟植物的建模方法

虚拟植物建模方法有很多，目前居于主流的建模方法主要有迭代函数系统（Iterated Function System，IFS）、L系统、随机过程、粒子系统（Partial System）、基于图像的造型等。现给出研究综述如下。

2.2.1 迭代函数系统

迭代函数系统（Iterated Function System，IFS）理论是一种研究分形几何的数学方法[4] ，由Hutchinson 和 Barnsley相继发表提出。IFS的设计思想是在仿射变换的基础上，几何对象的整体和局部具有自相似结构。迭代函数系统理论包括以下几个方面：压缩仿射变换、不动点定理和拼贴定理等[5]。IFS系统在自然景物的计算机建模方面比规则形状构图的传统方法更具有优势[6]，只需要给出仿射变换系数，经过一系列反复迭代，就能快速生成需求期望的分形体图形。

2.2.2 L-系统

L-系统是美国植物学家Lindenmayer 在 1968 年从生物形态学的角度出发而重点设计推出的一种关于植物形态与生长的系统[7]。L-系统又称为字符串替换法[8]，其本质是一个重写系统（不断地替换初始对象），通过对植物对象生长过程规则的提取和概括，构造重写规则和初始字符串，利用重写规则不断地将初始字符串替换为新的字符串，进行有限次反复迭代，并对产生的字符串加入几何解释，最终生成分形图形。王美丽等即在此基础上实现了小麦根系在外界因素中的动态生长模拟；康利等则以大豆为例，提取了叶脉的L系统规则，由此得到了较为真实的叶脉模拟。由于L-系统本身的特性，L-系统获得了不断的改进和扩展，其中主要包括随机L-系统[9]、参数L-系统[10-11]、微分L-系统和上下文相关L-系统[12]、开放 L-系统（Open L-System）[13]、时变 L 系统（Timed L-System）[14] 等。

2.2.3 粒子系统

粒子系统是 Reeves 在 1983年成功研发的一种模拟一些特定不规则模糊现象的方法[15]，早期经常用来模拟雪花、火焰、云、水流、流星、火花等，后来则逐步被用于研究模拟真实感的自然景象。当下，已有罗维佳等基于粒子系统建立了实时降雨模型，该模型使用粒子组保证降雨的连续性；而王瑞杰等又在此基础上提出了模拟实时雨雪算法，每一个粒子代表一个雨滴或者雪粒，把所有的粒子集中到眼点前的区域内，充分利用每个粒子渲染当前场景。在粒子系统中，每个粒子图元在任意的时间均有自己的属性，如颜色、形状、大小、生存期、速度等，而一个粒子具有哪些属性，主要取决于粒子系统所模拟的对象。同时，再由粒子系统本身的特性探讨可知，粒子系统是一个有生命的系统，粒子在这个过程中会不断地变化，不斷地移动，不断地出现旧粒子的死亡和新粒子的产生。因此这些粒子在虚拟系统中都要经历“产生”、“运动和生长”、“死亡”三个阶段[16]，这3个阶段最终就使得模拟动态自然景象变成了可能。

2.2.4 随机过程

随机过程方法是由De Reffye等研究人员研发提供的一种虚拟植物建模方法[17]。该方法基于有限自动机（finite automation）来模拟植物形态，也称为参考轴技术（reference axis technique）。植物的发育、生长、衰老、死亡等状态都是通过该模型中马尔可夫链理论以及状态转换图（state transition graph）的方式来展示推演并生成获得的。参考轴技术能够真实地模拟植物生长过程，著名的植物模拟软件AMAP就是使用该技术开发植物结构模型。另有中科院赵星等[18-21]在自动机模型的基础上，建立了虚拟植物生长原理的双尺度自动机模型[JP3]（dual-scale automaton），该方法重点包含了由植物的生长特性决定的微状态和宏状态两种尺度的状态，并通过这2种状态的组合和循环模拟植物的生长过程，最终发展构建出植物的模型。

2.2.5 基于图像的造型

基于图像的造型通常是指对一幅或多幅图像的分析和处理[22-23]，获得图像中物体三维几何表征的实用技术。其核心原理就是在计算机中输入2个及2个以上物体的二维投影图信息，根据算法获取物体对象的二维几何信息，建立相应的三维模型。胡少军等提出了基于稀疏图像构建三维树模型；李云峰等以叶子为例，对图像进行一系列处理，并优化改进算法，实现了植物器官重现。目前，计算机还难于达到完全自动地从图像中分离自然景物的各种信息，为此即需要加入人为的干预，充分利用人与计算机各自特点优势来共同解决复杂问题。

目前该领域的研究主要包括：基于轮廓的体重建（Volumes from Silhouettes）、基于剖面的曲面重建（Surface Curves from Profiles）、基于立体视觉的三维点重建（3D Points from Stereo）及图形、图像的混合造型方法。由于该建模方法是对图像展开直接的分析与处理，从而能够呈现更加真实的场景效果。

2.3 几种植物建模方法的比较

计算机模拟植物的形态结构有着广泛的前景。如：在教育领域，师生们可以通过虚拟植物获得高效率的学习、研究；在娱乐领域，计算机可视化技术给人们带来了极具感官立体的真实沉浸感。随着科技的进步和计算机图形学的发展，虚拟植物将会在更多领域得到应用。不同时期提出的建模方法在解决科学问题方面都存在着差异，表1即对比解析了5种不同的建模方法的研究成果和不足之处。

3 存在的主要问题

综合前述对植物建模主流方法的研讨分析可以看出，不同植物建模方法都有着各自的优缺点。自然界中，植物的种类各异，生长过程和环境也纷繁复杂，然而任何一种建模方法都有其独特适用范围和局限性，例如L-系统，虽然能够较为真实地模拟植物的动态生长过程，但生成规则难以提取、且具一定理解难度；粒子系统，对模糊类的物体有较好的模拟效果，但对植物景观的模拟效果却呈现明显劣势。因此植物生长模型迄今尚未获得一个完善的体系，仍需进一步发展改进。

虚拟植物的最初研究主要集中在地上部分（花、果实、枝叶、茎等），因此植物地下部分（根系）的研究还处于成果单调且薄弱阶段。地下部分在植物的生长过程中起着至关重要的作用，是植物与外界进行物质交换的重要通道，因此若要切实模拟环境因素（水分、肥料等）对植物生长发育的影响，就要加强植物地下部分的研究，使得地上部分与地下部分充分结合，开发构建完整的植物生长模型体系。

现在虚拟植物的可视化技术的起步时日也尚且较短，尤其对于那些有着复杂形体结构的植物很难生成逼真的视效图形，例如卷心菜的叶子交错缠绕，以及碟形、轮状花冠等比较复杂的花形。此外，在外力作用下植物的动态变化（如枝条的随风摇摆等）给虚拟植物的可视化技术带来了更大挑战。

4 结束语

随着计算机处理能力的提高和计算机图形学的进步，虚拟现实技术应用逐渐拓展至普通用户， 自然景物建模即是虚拟现实中的建模难点。本文较为全面地纵览解析了近几年来植物建模的一些主流方法，可以作为参考借鉴，并在此基础之上展开更为深入系统的研究。为达到对植物的真实感建模，在场景中构建植物模型时，应根据模型的具体要求以及整体效果，研究选用合适的建模方法和建模工具。

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