[发明专利]基于Web的虚拟植物可视化系统及虚拟植物构建方法

说明书

技术领域

本发明涉及计算机技术，植物仿真技术，尤其涉及计算机网络和数据 分布式存储技术。

背景技术

虚拟植物生长是指在计算机上形象直观地再现植物的生长过程。利用 虚拟植物技术，可以在电脑屏幕上设计农作物，然后再进行实际培育或用 基因工程技术繁殖出真实的农作物，使其新品种具有模拟植物的理想性 状。虚拟植物的研究起源于1968年美国生物学家Lindenmayer(1925-1989) 在生物杂志发表了“Mathematical Models for Cell Interactions in Development”的论文，首次提出了“字符重写系统(String rewritting system)”的概念，为了纪念这位生物学家，称为L系统，主要研究植物 的器官(主干，枝条，叶，花)等之间的相互关系。

带参数的L系统定义为一个有序四元组G＝(V，∑，ω，P)，其中，V表示系 统中的字母集；∑表示形式参数集，C(∑)表示一个带参数的逻辑表达 式，E(∑)表示一个带参数的算术表达式。在这些表达式中可以使用算术运 算符如：+、-、*、/、^，关系运算符，如：＞、＞＝、＜、＜＝、＝＝，和 逻辑运算符，如：！、&&、||和括号()，表达式中还可以包含函数调用； ω∈(V×R^*)⁺表示非空参数单词，称为公理，其中R是实数集合； p⋐(V×Σ*)×C(Σ)×(V*E(Σ)*)*]]>表示规则集合。改写规则的格式如下： pred：cond→succ其中pred表示前趋，cond表示条件，succ表示后继，例 如：A(t)：t＞5→B(t+1)C(t^0.5，t-2)。

对于L系统本身来说，如上所示只是一种形式化语言。经过产生式迭 代产生的结果也只是一系列的字符串，其本身并不具备任何几何意义。为 此，科学家引入一种称为“龟形几何”(Turtle Geometry)的数学知识概 念，通过对字符串进行龟形解释即可生成一系列复杂的图形。二维情况 下，乌龟的当前状态可用一个三元组<x，y，α>表示，其中(x，y)表示乌龟的当 前位置，α表示乌龟的朝向(Heading)即乌龟的爬行方向，每次响应动作 后该状态都会改变。本系统采用的龟图命令如下：RU，RR，RH为方向符号 (RH为生长方向，即龟的朝向)，分别表示绕旋转(如图1)， 带一个参数，表旋转的角度，顺时针为正，逆时针为负；‘[’、‘]’为分 枝符号，即遇到‘[’时龟图将压栈保存当前的状态，遇到‘]’时将弹栈 恢复上次压栈信息，以实现植物的分枝；其它字符可分为两类：临时变量 和器官变量，其中临时变量为产生式的中间迭代信号量，未绑定任何器官 信息，没有几何意义，而器官变量则有器官绑定信息，表示特定器官，有 几何意义。

如虚拟植物所得字符串为：A[RU(45)B]C[RU(-45)D]E，其中A，B， C，D，E均绑定为线器官，则经过龟形几何解释后其三维渲染结果如图 2。从A出发，遇到‘[’，将龟当前信息压栈(即分枝)；遇到‘RU(45)’，将 龟绕轴旋转45度，遇到B，按旋转后的龟方向画一直线；遇到‘]’，弹出 栈信息(即分枝完毕)，回到画A后的龟状态；遇到C，在A后画一直线； 遇到‘[’，将画C后的龟信息压栈；遇到‘RU(-45)’，将龟绕轴旋转-45度， 遇到D，按旋转后的龟方向画一直线；遇到‘]’，弹出栈信息(即分枝完 毕)，回到画C后的龟状态；最后遇到‘E’，在当前龟状态后往方向画一 直线。