[发明专利]光照与生长方程共同约束的三维数字树木生长建模方法

说明书

本发明公开了一种光照与生长方程共同约束的三维数字树木生长建模方法，用于解决现有三维数字树木生长建模方法不能约束树木生长高度的技术问题。技术方案是根据植物生长方程，通过输入三维数字树木根的起始位置和初始的主干方向，以及树木生长空间的光照信息，一轮一轮地迭代生长。首先计算各个树枝的顶芽和侧芽获得的光照资源，然后计算光照资源的汇聚和分配量，再利用生长方程约束树木的生长速度，确定每个顶芽和侧芽是否生长以及生长的速度，最后计算出新的树枝位置和分枝模型的几何量，更新树枝中各个结点的半径值。停止迭代生长后，输出树枝模型，添加树叶。本发明解决了在光照资源充分的条件下，不能约束树木的生长高度的技术问题。

技术领域

本发明涉及一种三维数字树木生长建模方法，特别涉及一种光照与生长方程共同约束的三维数字树木生长建模方法。

背景技术

三维数字树木是虚拟现实、数字林业、三维游戏和电影中不可或缺的重要对象。近几年的研究和技术发展正由静态的三维数字树木模拟转向为三维数字树木的动态生长模拟。

文献1“Palubicki W,Horel K,Longay S,et al.Self-organizing tree modelsfor image synthesis[J].ACM Transactions on Graphics,2013,28(3):5801-5810.”公开了一种三维数字树木建模方法。该三维数字树木生长建模方法的步骤是：第一步是输入初始树木模型；第二步是计算侧芽和顶芽生长的局部光照环境；第三步是确定每个芽的未来状态，即生长，分枝和脱落这三个状态之一；第四步是树枝生长和分枝；第五步是更新各个树枝结点的半径；最后，重复第二步至第五步，或者树木停止生长并输出当前的树木模型。该方法解决了树木生长的光照资源竞争的生长模型的构建。

文献2“Lei Yi,Hongjun Li,Jianwei Guo,Oliver Deussen,Xiaopeng Zhang,Light-Guided Tree Modeling of Diverse Biomorphsy,In:Proc of Pacific Graphics2015,pp.53-57”公开了一种三维数字树木建模方法。该三维数字树木生长建模方法的步骤是：第一步是输入初始树木模型；第二步是计算侧芽和顶芽生长的获取的光照资源；第三步是资源分配到现已经生成的各个树枝结点；第四步是生成新的分枝；第五步是计算新的分枝对光照环境的影响；第六步是更新各个树枝结点的半径；最后，重复第二步至第六步，或者树木停止生长并输出当前的树木模型。该方法从资源分配角度改进了光照资源竞争环境下的数字树木的生长建模。

但是，现有的方法在光照资源充分的条件下，不能约束树木生长高度，即三维数字树木模型随着光照资源的无限而无限长高。事实上，按照2004年《自然》杂志文章“Koch GW,Sillett S C,Jennings G M,et al.The limits to tree height[J].Nature,2004,428(6985):851-4.”的观点，树木的高度是有极限的，不可能因为光照资源无限就能无限地生长。现有的数字树木生长建模技术都没有解决这个技术问题。

发明内容

为了克服现有三维数字树木生长建模方法不能约束树木生长高度的不足，本发明提供一种光照与生长方程共同约束的三维数字树木生长建模方法。该方法根据植物生长方程，通过输入三维数字树木根的起始位置和初始的主干方向，以及树木生长空间的光照信息，然后再一轮一轮地迭代生长。在每一轮的生长中，首先计算各个树枝的顶芽和侧芽获得的光照资源，然后计算光照资源的汇聚和分配量，再利用生长方程约束树木的生长速度，确定每个顶芽和侧芽是否生长以及生长的速度，最后计算出新的树枝位置和分枝模型的几何量，更新树枝中各个结点的半径值，再重新计算经过一轮生长之后的树木模型对周围环境的光照的影响，重算光照资源。停止迭代生长后，输出树枝模型，添加树叶。本发明可以解决在光照资源充分的条件下，不能约束树木的生长高度的技术问题。