[发明专利]一种基于粒子群的虚拟植物生长模型参数提取方法

权利要求书

1.一种基于粒子群的虚拟植物生长模型参数提取方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

1)结合植物的拓扑结构，设定了8个通用参数；

2)设置候选解个数，在参数空间均匀初始化每组解；

3)构建基于拓扑结构的单轴和合轴植物的描述框架，利用计算机图形学生成每组参数对应的植物的三维结构，计算该模型与输入模型之间的相似度；

4)采用粒子群优化算法对候选参数进行不断改进，选取改进之后最优的一组参数作为提取结果；

5)对其进行图形化，完成给定输入模型的三维重建。

2.如权利要求1所述的一种基于粒子群的虚拟植物生长模型参数提取方法，其特征在于：所述步骤1)中，设定参数的过程为：设定一级侧枝的高度系数zr、主轴的节间长度系数xr、一级侧枝的节间长度系数yr、扩散角d、一级分枝角alpha、二级分枝角beta、伸长率lr和加宽率vr，参数空间中的解x表示为：

x＝(zr,xr,yr,d,alpha,beta,lr,vr)^T。

3.如权利要求1或2所述的一种基于粒子群的虚拟植物生长模型参数提取方法，其特征在于：所述步骤2)包括以下步骤：

(2.1)候选解个数设为n，解的维度为D，单个维度上的最大值为X_max，最小值为X_min，粒子间距为X_step，满足：

由此得到粒子间距X_step:

(2.2)单个维度上的值x取得的值为：

单个维度上x依次取到以上值可以实现均匀初始化。

4.如权利要求1或2所述的一种基于粒子群的虚拟植物生长模型参数提取方法，其特征在于：所述步骤3)包括以下步骤：

(3.1)针对单轴和合轴植物，构建基于拓扑结构的描述框架，使用以上8个参数，控制目标植物的拓扑结构形态；

(3.2)将描述框架结合参数转换为L系统；

(3.3)利用计算机图形学，将L系统渲染为三维植物模型；

(3.4)根据植物形态相似度计算方法，计算生成模型与输入模型之间的相似度作为每组解的适应度值：

fit＝S(T,T₀)

其中，S(T,T₀)为植物形态相似度。

5.如权利要求4所述的一种基于粒子群的虚拟植物生长模型参数提取方法，其特征在于：所述步骤4)的过程为：根据步骤(3.4)计算得出每组解的适应度值，采用粒子群算法对候选解进行更新，经过多次更新之后，选取候选解中适应度值最优的一个解作为参数提取结果。

6.如权利要求4所述的一种基于粒子群的虚拟植物生长模型参数提取方法，其特征在于：所述步骤5)的过程为：将提取得到的参数结合步骤(3.2)转换成L系统，利用计算机图形学渲染出三维植物模型。

7.如权利要求2所述的一种基于粒子群的虚拟植物生长模型参数提取方法，其特征在于：所述步骤(2.1)中，候选解个数设为n，包括如下步骤：

(2.1.1)n的计算由单个维度上划分的数量t决定，由于t为整数，则n计算为：

n＝(t+1)^D。

8.如权利要求4所述的一种基于粒子群的虚拟植物生长模型参数提取方法，其特征在于：所述步骤(3.1)中，针对单轴和合轴植物，构建基于拓扑结构的描述框架包括如下步骤：

(3.1.1)单轴植物描述框架定义为：

其中，T表示整株植物，Z表示第一个一级分枝高度以下的主轴部分，A、B、C分别主轴、第一级分枝、第二及更小级分枝，X和Y分别表示主轴和第一级分枝的节间，E表示分枝的顶芽；

(3.1.2)合轴植物描述框架定义为：

类似地，T和Z与单轴植物相同，B、C、D分别表示第一级分枝、第二级分枝、第三及更小级分枝，X和Y分别表示第一级分枝和第二级分枝的节间。

9.如权利要求4所述的一种基于粒子群的虚拟植物生长模型参数提取方法，其特征在于：所述步骤(3.2)中，将描述框架结合参数转换为L系统包括如下步骤：

(3.2.1)单轴植物表示为：

其中，T表示整株植物，Z表示第一个一级分枝高度以下的主轴部分，A、B、C分别主轴、第一级分枝、第二及更小级分枝，X和Y分别表示主轴和第一级分枝的节间，E表示分枝的顶芽，ω为初始状态串，[、]分别代表枝条绘制的开始与结束，！表示以加宽率vr缩小枝条直径，/表示向右转，表示向下转，F为绘制线段，在其余参数中，zr为一级侧枝的高度系数、xr为主轴的节间长度系数、yr为一级侧枝的节间长度系数、d为扩散角、alpha为一级分枝角、beta为二级分枝角、lr为伸长率、vr为加宽率；

(3.2.2)合轴植物表示为：

其中，T和Z与单轴植物相同，B、C、D分别表示第一级分枝、第二级分枝、第三及更小级分枝，X和Y分别表示第一级分枝和第二级分枝的节间ω为初始状态串，[、]分别代表枝条绘制的开始与结束，！表示以加宽率vr缩小枝条直径，/表示向右转，表示向下转，F为绘制线段，zr为一级侧枝的高度系数、xr为主轴的节间长度系数、yr为一级侧枝的节间长度系数、d为扩散角、alpha为一级分枝角、beta为二级分枝角、lr为伸长率、vr为加宽率。