基于位置動力學的花卉動態虛擬仿真方法研究

許艷凰 王其棣

摘要：通過以位置動力學為基礎的植物動態虛擬仿真，可以實現自然環境中植物主要器官、群體、植株的動態模擬分析，避免復雜的植株生長計算。文章以位置動力學為基礎，從仿真準備入手，介紹了以位置動力學為基礎的植物動態虛擬仿真模型構建方法，并以蘭花為例，對以位置動力學為基礎的花卉動態虛擬仿真結果進行了簡單分析，最終得出以位置動力學為基礎的花卉動態虛擬仿真模型具有良好的仿真效果，穩定性較高，適應性較好。

關鍵詞：位置動力學;植物;動態虛擬仿真

前言：在計算機軟件、硬件、信息網絡化技術高速發展進程中，虛擬植物技術研究成果在虛擬現實、計算機動畫、計算機輔助教學領域得到了廣泛的應用。虛擬植物技術研究成果主要為虛擬植物模型及其構建方法，其對于虛擬植物功能發揮具有至關重要的影響。但是我國對虛擬植物技術研究起步較晚，在高大且形態復雜的植物生長模擬方面缺乏理想的技術成果?；诖?，以位置動力學為依據，對植物動態虛擬仿真方法進行適當分析非常必要。

一、以位置動力學為基礎的植物動態虛擬仿真準備

（一）圖像預處理

花卉植物植株生長為一個連續的質、量變化過程，因此，可以植株生長視頻圖像為依據，提取關鍵位置動力信息，為后續模型創建提供依據[1]。

（二）特征提取

在具有代表性、噪聲小的關鍵幀圖像選取完畢后，根據植物生長規律，采用分離與骨架提取算法，對關鍵幀數據信息進行處理融合，獲得虛擬仿真模型構建所需信息[2]?；蛘卟捎盟阉魉惴傲Ⅲw視覺技術，對二維平面下植物生長骨架信息進行處理，尋找對應點間關系，將花瓣相互對應，獲得三維坐標信息，為后續虛擬仿真建模提供依據。

二、以位置動力學為基礎的植物動態虛擬仿真模型構建

（一）模型構建

以位置動力學為基礎的植物動態虛擬仿真模型為典型植物動態物理模型，考慮到類型不一定植物個體器官物理屬性間差異較大，可假定在單一植物葉片、花瓣等器官內部具有單一物理屬性，根據植物形態結構拓撲結構，結合器官物理屬性定義，構建針對特定植物的定義定點集合p、約束條件集合C，其中定義定點集合表示為p（i=1，2，3，...，N），約束條件集合表示為C（j=1，2，3，...，M）[3]。

在骨架特征點獲取之后，根據特征點位置變化，生成局部坐標系

以局部坐標系模板的特征點局部變化為依據，通過一組仿真映射矩陣

實現變形效果。

上述式子中MiRot為第i特征點位置的旋轉矩陣，MiTran為第i特征點位置的平移矩陣;Ax為局部坐標系x坐標軸單位向量，Ay為局部坐標系y坐標軸單位向量，Az為局部坐標系z坐標軸單位向量[3]。

在對植物花瓣及葉片特征點進行變換后，可以利用變換后特征點，通過基于特征點的NURBS樣條曲面，構建植物花瓣曲面模型：

上述式子中P為與參數（u，w）對應的曲面點;B、W分別為樣條基函數、控制點權重因子;V為控制點組;w為曲面某一方向參數，u為曲面另外一方向參數，兩者取值范圍均為[0，1]。

（二）模型實踐

從蘭花花瓣、蘭葉物理模型實踐視角進行分析，蘭花主要包括植物彎曲的枝條、結構各異的花序、高度復雜的花瓣、葉片幾個部分，針對開花的蘭花可以將其簡化為葉片、花瓣連接物理模型[4]。

首先，葉形模擬，蘭花葉片多為帶狀或線性，上下幾乎等寬，葉片基礎部位稍窄無明顯葉柄，葉面橫切面與“V”形類似?？紤]到單片葉片根據部位差異曲率變化，可以發生彎曲、或者旋轉部位為切入點，經過若干個特征點，對主體形狀進行定義。同時考慮到蘭花葉片存在橫向扭曲態勢，可以從宏觀入手，通過對縱向三條連線包圍體，對蘭花葉片整體運動進行模擬。最終獲得的蘭花葉片模型為水平、縱深面參數控制的曲面模型。

其次，蘭花花朵模擬。在保證植株拓撲結構組織器官模型的基礎上，為保證整株蘭花器官間相對關系，還需在添加花瓣與花軸間支撐連接的基礎上，進行花瓣模型簡化。即利用一個貝塞爾曲面，對蘭花花朵中單個花瓣、花萼進行描述。同時根據花瓣、花萼差異，抽取特征描述點，進行矩陣構建。

最后，根據實際測得的同一生長時期蘭花花朵直徑、葉片長度，賦予植物拓撲結構組織器官模型中每一定點對應質量值。并通過兩定點間連接表示為兩定點距離約束條件，針對角度關系明顯定點間定義四點角度約束。

三、以位置動力學為基礎的植物動態虛擬仿真結果分析

（一）仿真工具

為了確定以位置動力學為基礎的植物動態虛擬仿真模型運行效果，在Dell移動圖形工作站，NVIDIA Quadro P600顯卡及8G內存、2.3GHz CPU，Visual Studio 2013環境中，使用OpenGL和VC++語言開發了花卉動態虛擬仿真系統平臺。

（二）仿真結果

基于位置動力學的花卉動態虛擬仿真模型運行效果驗證，主要是以算法執行效率檢驗為目標，通過記錄植物動態虛擬仿真模型相關參數、執行時間，進行類比分析。通過對基于位置動力學的花卉動態虛擬仿真模型，生成的一組5種蘭花群體（春蘭、蝴蝶蘭、建蘭、寒蘭、蕙蘭）的動態進行虛擬仿真，模擬過程中實現蘭花花瓣的自然開放、葉片的下垂。隨后在基于位置動力學的植物動態虛擬仿真模型中隨機生成一組風速向量，并賦予蘭花花瓣、葉片各點一初始速度值，在物理模型約束下，實現模擬自然條件下5種蘭花群體擺動過程。通過蘭花花瓣和葉片曲度變化、長度及寬度變化，可以真實模擬蘭花花朵大小及在花軸上按一定的順序開放。

從仿真真實感視角入手，通過對定義的單一蘭花花瓣、葉片物理模型（使用一端封閉的樣條曲面計算而成）、單株蘭花物理模型最終變形曲面模型進行分析可知，以位置動力學為基礎的植物動態虛擬仿真模型可以通過點擊主界面下拉菜單中任意一種蘭花名稱，在中部蘭花展示區將蘭花生長過程三維模擬展示。同時驅動蘭花花瓣、蘭花葉片的曲面模型出現形變，而且整個形態變化過程中始終受以位置動力學為基礎的植物動態虛擬仿真模型約束。同時由于以位置動力學為基礎的植物動態虛擬仿真模型中應用了界面交互技術，可以通過點擊旋轉視點按鈕或者鍵盤按鍵，選用不同的蘭花擺放場景、花瓣形態，更換系統風格，達到基于視覺形態變化的真實感模擬目的。

總結：

綜上所述，花卉生長信息的提取與重構是在計算機上實現花卉生長動態仿真的前提。因此，相關研究人員可以根據花卉形態結構，在三維數字化儀中進行虛擬仿真模型構建，并對特征點進行動態虛擬仿真計算，逐步形成基于位置特征點的花卉動態虛擬數據模型，獲取花卉植物器官三維數據，實現花卉植物生長過程的計算機重現。在本研究中，主要是針對單一植株進行研究與展示，今后，還可以在大規模花卉仿真上進行動力學方面的進一步研究。

參考文獻：

[1]張彪， 魏萬紅， 丁海東，等. 植物學數字切片虛擬仿真教學系統的構建與應用[J]. 實驗技術與管理， 2019， 036（009）：103-105.

[2]淮永建， 張晗， 張帥. 面向VR應用的花卉植物物理渲染技術研究與實現[J]. 電子與信息學報， 2018， 040（007）：1627-1634.

[3]肖伯祥， 郭新宇， 吳升. 基于位置動力學的植物動態虛擬仿真方法[J]. 中國農業科技導報， 2017， 19（3）：56-62.

[4]許艷凰， 姚俊峰， 楊寶容，等. 蘭花開花過程三維模擬系統研究[J]. 系統仿真學報， 2015， 027（010）：2546-2552.

作者簡介：

許艷凰[1982-]，女，籍貫：福建泉州，職稱：講師，研究方向：植物生長仿真等。

王其棣[1982-]，男，籍貫：福建三明，職稱：碩士，研究方向：虛擬現實植物仿真。

基金項目：漳州市科技計劃項目（ZZ2017J35），福建省中青年教師教育科研項目（JZ181190）.