[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

说明书

一种基于粒子群的虚拟植物生长模型参数提取方法，通过设定虚拟植物生长模型的参数，构建基于植物拓扑结构的描述框架，生成植物的三维结构，比较三维模型与输入模型之间的相似度，评价参数的质量，采用粒子群优化算法对参数进行不断改进，得到最优结果，并利用最优参数生成三维模型，实现植物模型的三维重建。本发明的虚拟植物生长模型描述框架可以统一对植物的拓扑结构进行描述，利用基于粒子群的虚拟植物生长模型参数提取方法，可以应用于对指定植物模型进行三维重建，得到不同形态的同类植物。

技术领域

本发明涉及一种基于粒子群的虚拟植物生长模型参数提取方法，该方法适用于根据给定植物生成不同形态的同类植物。

技术背景

植物模型在诸多领域都有广泛的用途。比如，它可用于三维动画的制作、电子游戏中虚拟场景的生成、影视特效与广告创意的制作、辅助城市管理与规划等。因此，如何对植物模型进行三维重建具有重要的实用价值。

植物是多数自然场景建模中必不可少的环境因素。大规模场景中需要形态各异的树木。如何根据已有的植物生成多个形态不同的同类植物，已经成为植物建模领域亟需解决的问题。为已知植物逆向推断其生长模型的工作迎来巨大挑战。因此，研究虚拟植物生长模型的参数提取方法具有重要意义。

发明内容

为了对植物模型进行三维重建，本发明提出一种基于粒子群的虚拟植物生长模型参数提取方法，设定虚拟植物生长模型的参数，构建基于植物拓扑结构的描述框架，利用计算机图形学生成植物的三维结构，通过比较三维模型与输入模型之间的相似度，评价参数的质量，采用粒子群优化算法对参数进行不断改进，得到最优结果，并利用最优参数生成三维模型，实现植物模型的三维重建。

本发明为了解决上述技术问题提供的技术方案为：

一种基于粒子群的虚拟植物生长模型参数提取方法，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。

进一步，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。

再进一步，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。

更进一步，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；