基于L-系统的植物形态模拟方法的研究与应用

摘要

分形理论是近二、三十年才发展起来的一门新的学科，它主要描述自然界中的非线性系统中不光滑和不规则的几何形体。传统的欧氏几何主要研究规则图形和光滑曲线，对自然植物的描述却显得无能为力，种类丰富的植物虽然形态千差万别，却大都具有自我相似、自我繁殖的分形特征，分形理论就为自然植物的模拟提供了描述语言和理沦基础。近年来，分形理论逐渐发展，而分形植物模拟也成为了计算机仿真领域的重要课题。 自从美国生物学家Lindenmayer于1968年提出L-系统后，L-系统不断完善，为植物的构型及描绘提供了新的途径。1984年A．R．Smith等人将L-系统引入了计算机图形学中，在计算机上模拟生成了各种形念的植物，显示了计算机在模拟植物方面的强大能力，为在计算机上实现模拟植物的生长形态提供了理论依据，后来在加拿大学者Prusinkiewicz等的发展下，成为植物生长建模的主要方法之一。 传统的基于L-系统的分形植物虽然也能够表现物种之间的差异和体现物种的多样性，但分形模拟过程与物种的自然生成过程差别很大，分形过程也无法与自然界的物种遗传、物种生存环境的选择、进化和变异作用建立必然联系，所以本文在对几种不同类型的L-系统和遗传算法基本原理研究分析的基础上，提出了将基于L-系统的植物模拟方法与遗传算法结合的思想，以期得到更符合自然规律的植物形态。本文主要工作如下： 1、在随机L-系统的参数设计中引入遗传算法。 本文对随机L-系统中涉及到的参数通过遗传算法进行重新设计，将经过重新设计的参数表应用于相同的产生式集，可以生成结构有不同变化的植物形态，来继续丰富我们的植物资料库； 2、在单规则L-系统和多规则L-系统的产生式设计中引入遗传算法。 本文通过遗传算法对L-系统产生式中的字符或者整个的产生式进行重新设计，并定义了符合植物生长过程中保持平衡性、稳定性、趋光性等特点的适应度函数，来体现外界因素对植物生长形态的影响； 3、把基于L-系统的植物模拟方法与遗传算法结合的思想应用到虚拟植物生长的过程中。 植物对它所处的环境，会表现出良好的自适应和自寻优能力，本文在植物生长过程中随时使用遗传算法来调整植物的L-系统语法，对同一植物在生长过程中根据不同条件的影响，产生不同的形态变化，可以生成更符合自然规律的植物形态，这在自然景观再现、虚拟动画、植物学等领域都具有一定的应用价值。本文利用计算机作图技术，模拟了植物生长过程中分枝结构受外界条件影响后的形念变化，对人工智能、人工生命等领域的研究也具有一定的指导和启发意义。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1分形问题提出及现实意义

1.2国内外研究现状

1.3.本文主要章节及结构安排

第二章分形基本理论

2.1分形的提出

2.2分形植物模拟的提出及意义

2.3分形植物模拟的方法

2.3.1迭代函数系统法

2.3.2受限扩散凝聚法

2.3.3粒子系统法

第三章L-系统的基本原理及实现

3.1 L-系统的基本原理

3.1.1 DOL-系统

3.1.2随机L-系统

3.1.3参数L-系统

3.1.4微分L-系统

3.1.5语义相关L-系统

3.2遗传算法的基本原理

3.2.1遗传算法的基本概念及基本思想

3.2.2遗传算法基本实现

第四章L-系统中遗传算法的研究与应用

4.1遗传算法与随机L-系统

4.2遗传算法与单规则L-系统

4.2.1单规则L-系统

4.2.2单规则L-系统中遗传算法的应用

4.3遗传算法与多规则L-系统

4.3.1多规则L-系统

4.3.2多规则L-系统中遗传算法的应用

4.4遗传算法和L-系统技术在虚拟植物生长中的应用

第五章总结与展望

5.1本文总结

5.2进一步研究方向

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢