基于位置動(dòng)力學(xué)的花卉動(dòng)態(tài)虛擬仿真方法研究

許艷凰 王其棣

摘要：通過(guò)以位置動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)的植物動(dòng)態(tài)虛擬仿真，可以實(shí)現(xiàn)自然環(huán)境中植物主要器官、群體、植株的動(dòng)態(tài)模擬分析，避免復(fù)雜的植株生長(zhǎng)計(jì)算。文章以位置動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)，從仿真準(zhǔn)備入手，介紹了以位置動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)的植物動(dòng)態(tài)虛擬仿真模型構(gòu)建方法，并以蘭花為例，對(duì)以位置動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)的花卉動(dòng)態(tài)虛擬仿真結(jié)果進(jìn)行了簡(jiǎn)單分析，最終得出以位置動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)的花卉動(dòng)態(tài)虛擬仿真模型具有良好的仿真效果，穩(wěn)定性較高，適應(yīng)性較好。

關(guān)鍵詞：位置動(dòng)力學(xué);植物;動(dòng)態(tài)虛擬仿真

前言：在計(jì)算機(jī)軟件、硬件、信息網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)高速發(fā)展進(jìn)程中，虛擬植物技術(shù)研究成果在虛擬現(xiàn)實(shí)、計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)、計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。虛擬植物技術(shù)研究成果主要為虛擬植物模型及其構(gòu)建方法，其對(duì)于虛擬植物功能發(fā)揮具有至關(guān)重要的影響。但是我國(guó)對(duì)虛擬植物技術(shù)研究起步較晚，在高大且形態(tài)復(fù)雜的植物生長(zhǎng)模擬方面缺乏理想的技術(shù)成果?；诖?，以位置動(dòng)力學(xué)為依據(jù)，對(duì)植物動(dòng)態(tài)虛擬仿真方法進(jìn)行適當(dāng)分析非常必要。

一、以位置動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)的植物動(dòng)態(tài)虛擬仿真準(zhǔn)備

（一）圖像預(yù)處理

花卉植物植株生長(zhǎng)為一個(gè)連續(xù)的質(zhì)、量變化過(guò)程，因此，可以植株生長(zhǎng)視頻圖像為依據(jù)，提取關(guān)鍵位置動(dòng)力信息，為后續(xù)模型創(chuàng)建提供依據(jù)[1]。

（二）特征提取

在具有代表性、噪聲小的關(guān)鍵幀圖像選取完畢后，根據(jù)植物生長(zhǎng)規(guī)律，采用分離與骨架提取算法，對(duì)關(guān)鍵幀數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理融合，獲得虛擬仿真模型構(gòu)建所需信息[2]。或者采用搜索算法及立體視覺(jué)技術(shù)，對(duì)二維平面下植物生長(zhǎng)骨架信息進(jìn)行處理，尋找對(duì)應(yīng)點(diǎn)間關(guān)系，將花瓣相互對(duì)應(yīng)，獲得三維坐標(biāo)信息，為后續(xù)虛擬仿真建模提供依據(jù)。

二、以位置動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)的植物動(dòng)態(tài)虛擬仿真模型構(gòu)建

（一）模型構(gòu)建

以位置動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)的植物動(dòng)態(tài)虛擬仿真模型為典型植物動(dòng)態(tài)物理模型，考慮到類(lèi)型不一定植物個(gè)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(nèi)部具有單一物理屬性，根據(jù)植物形態(tài)結(jié)構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，結(jié)合器官物理屬性定義，構(gòu)建針對(duì)特定植物的定義定點(diǎn)集合p、約束條件集合C，其中定義定點(diǎn)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(diǎn)獲取之后，根據(jù)特征點(diǎn)位置變化，生成局部坐標(biāo)系

以局部坐標(biāo)系模板的特征點(diǎn)局部變化為依據(jù)，通過(guò)一組仿真映射矩陣

實(shí)現(xiàn)變形效果。

上述式子中MiRot為第i特征點(diǎn)位置的旋轉(zhuǎn)矩陣，MiTran為第i特征點(diǎn)位置的平移矩陣;Ax為局部坐標(biāo)系x坐標(biāo)軸單位向量，Ay為局部坐標(biāo)系y坐標(biāo)軸單位向量，Az為局部坐標(biāo)系z(mì)坐標(biāo)軸單位向量[3]。

在對(duì)植物花瓣及葉片特征點(diǎn)進(jìn)行變換后，可以利用變換后特征點(diǎn)，通過(guò)基于特征點(diǎn)的NURBS樣條曲面，構(gòu)建植物花瓣曲面模型：

上述式子中P為與參數(shù)（u，w）對(duì)應(yīng)的曲面點(diǎn);B、W分別為樣條基函數(shù)、控制點(diǎn)權(quán)重因子;V為控制點(diǎn)組;w為曲面某一方向參數(shù)，u為曲面另外一方向參數(shù)，兩者取值范圍均為[0，1]。

（二）模型實(shí)踐

從蘭花花瓣、蘭葉物理模型實(shí)踐視角進(jìn)行分析，蘭花主要包括植物彎曲的枝條、結(jié)構(gòu)各異的花序、高度復(fù)雜的花瓣、葉片幾個(gè)部分，針對(duì)開(kāi)花的蘭花可以將其簡(jiǎn)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(xiàn)性，上下幾乎等寬，葉片基礎(chǔ)部位稍窄無(wú)明顯葉柄，葉面橫切面與“V”形類(lèi)似?？紤]到單片葉片根據(jù)部位差異曲率變化，可以發(fā)生彎曲、或者旋轉(zhuǎn)部位為切入點(diǎn)，經(jīng)過(guò)若干個(gè)特征點(diǎn)，對(duì)主體形狀進(jìn)行定義。同時(shí)考慮到蘭花葉片存在橫向扭曲態(tài)勢(shì)，可以從宏觀(guān)入手，通過(guò)對(duì)縱向三條連線(xiàn)包圍體，對(duì)蘭花葉片整體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行模擬。最終獲得的蘭花葉片模型為水平、縱深面參數(shù)控制的曲面模型。

其次，蘭花花朵模擬。在保證植株拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組織器官模型的基礎(chǔ)上，為保證整株蘭花器官間相對(duì)關(guān)系，還需在添加花瓣與花軸間支撐連接的基礎(chǔ)上，進(jìn)行花瓣模型簡(jiǎn)化。即利用一個(gè)貝塞爾曲面，對(duì)蘭花花朵中單個(gè)花瓣、花萼進(jìn)行描述。同時(shí)根據(jù)花瓣、花萼差異，抽取特征描述點(diǎn)，進(jìn)行矩陣構(gòu)建。

最后，根據(jù)實(shí)際測(cè)得的同一生長(zhǎng)時(shí)期蘭花花朵直徑、葉片長(zhǎng)度，賦予植物拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組織器官模型中每一定點(diǎn)對(duì)應(yīng)質(zhì)量值。并通過(guò)兩定點(diǎn)間連接表示為兩定點(diǎn)距離約束條件，針對(duì)角度關(guān)系明顯定點(diǎn)間定義四點(diǎn)角度約束。

三、以位置動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)的植物動(dòng)態(tài)虛擬仿真結(jié)果分析

（一）仿真工具

為了確定以位置動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)的植物動(dòng)態(tài)虛擬仿真模型運(yùn)行效果，在Dell移動(dòng)圖形工作站，NVIDIA Quadro P600顯卡及8G內(nèi)存、2.3GHz CPU，Visual Studio 2013環(huán)境中，使用OpenGL和VC++語(yǔ)言開(kāi)發(fā)了花卉動(dòng)態(tài)虛擬仿真系統(tǒng)平臺(tái)。

（二）仿真結(jié)果

基于位置動(dòng)力學(xué)的花卉動(dòng)態(tài)虛擬仿真模型運(yùn)行效果驗(yàn)證，主要是以算法執(zhí)行效率檢驗(yàn)為目標(biāo)，通過(guò)記錄植物動(dòng)態(tài)虛擬仿真模型相關(guān)參數(shù)、執(zhí)行時(shí)間，進(jìn)行類(lèi)比分析。通過(guò)對(duì)基于位置動(dòng)力學(xué)的花卉動(dòng)態(tài)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(dòng)態(tài)進(jìn)行虛擬仿真，模擬過(guò)程中實(shí)現(xiàn)蘭花花瓣的自然開(kāi)放、葉片的下垂。隨后在基于位置動(dòng)力學(xué)的植物動(dòng)態(tài)虛擬仿真模型中隨機(jī)生成一組風(fēng)速向量，并賦予蘭花花瓣、葉片各點(diǎn)一初始速度值，在物理模型約束下，實(shí)現(xiàn)模擬自然條件下5種蘭花群體擺動(dòng)過(guò)程。通過(guò)蘭花花瓣和葉片曲度變化、長(zhǎng)度及寬度變化，可以真實(shí)模擬蘭花花朵大小及在花軸上按一定的順序開(kāi)放。

從仿真真實(shí)感視角入手，通過(guò)對(duì)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(jì)算而成）、單株蘭花物理模型最終變形曲面模型進(jìn)行分析可知，以位置動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)的植物動(dòng)態(tài)虛擬仿真模型可以通過(guò)點(diǎn)擊主界面下拉菜單中任意一種蘭花名稱(chēng)，在中部蘭花展示區(qū)將蘭花生長(zhǎng)過(guò)程三維模擬展示。同時(shí)驅(qū)動(dòng)蘭花花瓣、蘭花葉片的曲面模型出現(xiàn)形變，而且整個(gè)形態(tài)變化過(guò)程中始終受以位置動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)的植物動(dòng)態(tài)虛擬仿真模型約束。同時(shí)由于以位置動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)的植物動(dòng)態(tài)虛擬仿真模型中應(yīng)用了界面交互技術(shù)，可以通過(guò)點(diǎn)擊旋轉(zhuǎn)視點(diǎn)按鈕或者鍵盤(pán)按鍵，選用不同的蘭花擺放場(chǎng)景、花瓣形態(tài)，更換系統(tǒng)風(fēng)格，達(dá)到基于視覺(jué)形態(tài)變化的真實(shí)感模擬目的。

總結(jié)：

綜上所述，花卉生長(zhǎng)信息的提取與重構(gòu)是在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)花卉生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)仿真的前提。因此，相關(guān)研究人員可以根據(jù)花卉形態(tài)結(jié)構(gòu)，在三維數(shù)字化儀中進(jìn)行虛擬仿真模型構(gòu)建，并對(duì)特征點(diǎn)進(jìn)行動(dòng)態(tài)虛擬仿真計(jì)算，逐步形成基于位置特征點(diǎn)的花卉動(dòng)態(tài)虛擬數(shù)據(jù)模型，獲取花卉植物器官三維數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)花卉植物生長(zhǎng)過(guò)程的計(jì)算機(jī)重現(xiàn)。在本研究中，主要是針對(duì)單一植株進(jìn)行研究與展示，今后，還可以在大規(guī)?；ɑ芊抡嫔线M(jìn)行動(dòng)力學(xué)方面的進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]張彪， 魏萬(wàn)紅， 丁海東，等. 植物學(xué)數(shù)字切片虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)的構(gòu)建與應(yīng)用[J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理， 2019， 036（009）：103-105.

[2]淮永建， 張晗， 張帥. 面向VR應(yīng)用的花卉植物物理渲染技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)[J]. 電子與信息學(xué)報(bào)， 2018， 040（007）：1627-1634.

[3]肖伯祥， 郭新宇， 吳升. 基于位置動(dòng)力學(xué)的植物動(dòng)態(tài)虛擬仿真方法[J]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報(bào)， 2017， 19（3）：56-62.

[4]許艷凰， 姚俊峰， 楊寶容，等. 蘭花開(kāi)花過(guò)程三維模擬系統(tǒng)研究[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)， 2015， 027（010）：2546-2552.

作者簡(jiǎn)介：

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

王其棣[1982-]，男，籍貫：福建三明，職稱(chēng)：碩士，研究方向：虛擬現(xiàn)實(shí)植物仿真。

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