基于植物顶端优势原理的树木建模方法

王春华,韩 栋

(黄淮学院信息工程学院,河南 驻马店 463000)

0 引 言

三维树木模型是虚拟场景中具有普遍性和代表性的自然景观模型[1-3]，可广泛应用于计算机游戏、虚拟生态景观、数字农业、虚拟城市等。因树木种类繁多且几何结构差异性大，三维树木建模研究一直是计算机图形学、计算机视觉和虚拟现实等领域具有挑战性的研究课题[4-6]。

自组织结构建模和递归结构建模是树木真实感建模的2大主流思想，早期研究可分别追溯于Ulam于1962年发表的学术论文[7]和Honda于1971年提出的参数化建模方法[8]。Honda将树木视为一种参数的递归结构，参数主要由分枝角度、单元模块尺寸等构成，后来的树木建模分形方法[9-10]、L-system方法[11]皆在此基础上产生。递归结构的算法，由于基于一个基本的递归结构不断地迭代，因此局部参数的细微变化将引起整个模拟结果的巨大变化，且整个建模过程不易控制。Ulam将树木视为自组织的结构，分枝模型源于个体单元对资源的竞争，文献[12-15]在此基础上进行了更深入的研究，都强调树木结构模型对周围环境的自适应性。据Sachs和Novoplansky[16]观察，较之递归结构，Ulam自组织结构的思想能更好地捕获树木生长的本质。

本文基于自组织结构的思想，提出一种树木基本生长单位——芽基于光源竞争的建模方法，详细描述了模拟算法各个环节的计算过程，通过实验验证了算法在模拟树木顶端优势的各种情况、向地性现象和向光性现象等方面的有效性，生成结果真实感强。……