一种聚伞花序生长模拟方法和模拟系统的制作方法
专利名称：一种聚伞花序生长模拟方法和模拟系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种花序生长模拟方法和建模系统，尤其涉及一种聚伞花序生长模拟方法和模拟系统。
背景技术：
数字植物是数字农业的基础性研究工作，其综合利用计算机技术对植物的生命过程和农业生产过程进行定量化可视模拟，是农业生产研究，尤其是农业培训的一个新的有效手段。大多数植物的花按一定的顺序排列在花序轴上形成花序，对很多草本植物而言，其整个枝条结构本身就是一个花序，因此花序是植物的一个重要组成部分，在农业生产中，根据花序的生长形态可直观的获得农作物的生长阶段以及农作物的生长状态信息，农业生产者可以根据上述信息判断农作物是否需要施肥、灌溉、除病虫害、修剪等农业措施，因此如何向农业生产者形象的展示不同生长阶段农作物花序的生长过程，尤其是通过计算机技术对不同生长阶段农作物花序的生长过程根据实际数据进行模拟，成为农业培训过程所要解决的重要课题。聚伞花序是众多农作物花序中的一种，代表作物如烟草等，知晓其不同生长阶段的花序生长状态，将有利于帮助农业生产者对其生长过程的掌控，进一步提高作物的产量。 现有花序建模有两种常见方法L系统花序建模方法与草图技术花序建模方法。L系统花序建模方法主要基于语意的拓扑结构构造系统，利用其进行花序建模，主要缺陷在于器官模型粗糙，建模过程不易理解；基于草图技术的花序建模方法虽具有操作简便、快速等优点， 但其在花序建模过程中需要的交互过多，且无法对花序的生长进行模拟。其他的一些现有花序建模方法一般只适用团状花序，团装花序的花柄的位置是假定在一个旋转曲面上，它们形成的模型十分紧凑。而聚伞花序类植物，其花序在生长过程具有明显分枝，无法用旋转曲面描述。因此现有技术还没有一种简洁有效地模拟聚伞花序生长过程的方法，如何在符合植物生长规律的基础上，能够较真实地模拟聚伞花序的生长过程，为农业生产提供指导成为有待解决的问题。
发明内容
本发明提供的一种聚伞花序生长模拟方法，通过根据采集的生长参数设定分形单元，并利用迭代的仿射变换生成算法对聚伞花序生长过程进行模拟，获得符合植物生长规律的聚伞花序生长过程模拟示意图，并且可通过调用花朵几何模型，使得模拟过程更加生动形象，更加适用于农业生产培训过程。本发明进一步还提供了一种实现模拟聚伞花序生长的模拟系统，所述模拟系统通过数据采集模块和生长模拟模块，实现对聚伞花序生长过程的逼真模拟。本发明提供的一种聚伞花序生长模拟方法，包括将聚伞花序生长过程划分为多个生长阶段，并对每一个生长阶段进行模拟，所述每一个生长阶段采用相同的方法进行模拟， 其中对任意一个生长阶段a的模拟方法包括
步骤1、采集生长阶段a的聚伞花序图片，根据采集的聚伞花序图片设定生长阶段 a的分形单元，包括设定四个节点根节点、基点、顶端节点和侧枝节点；还包括设定根节点处的平均半径rparart、顶端节点处的平均半径ι·。ω (11和侧枝节点处的平均半径r。hild2 ；然后，采集生长阶段a的生长参数，所述生长参数包括进入生长阶段a前由所有分形单元组成的初始分形单元集m_Tree [a0]，在生长阶段a内长出的新生分形单元总数na，在生长阶段a内每个新生分形单元与其相邻分形单元比例系数P a，每个新生分形单元沿侧生枝方向的旋转角度，生长阶段a内长出一个新生分形单元所需的平均时间；步骤2、根据上述生长阶段a的聚伞花序分形单元和生长参数，对生长阶段a的聚伞花序的生长过程进行模拟，包括1)设定在生长阶段a内长出新生分形单元后的分形单元集为m_Tree[ia]，其中，ia 为正整数，初始、为1 ；2)若O < ia<na，令 m_Tree[iJ = m_Tree [ia-l]；若 ia = na+l，循环终止;3) &m_Tree[ia-l]的根节点为中心，对m_Tree [ij按进行旋转，按ρ a进行缩放，并使m_Tree[ia-l]的侧枝节点与m_Tree [ia]的根节点重合，m_Tree [ia_l]的侧生枝连接m_Tree[ia]的柄枝，m_Tree[ia-l]的顶端枝与m_Tree [ij的顶端枝左右互生；4)令 ia = ia+l ；返回到步骤 2)。在本发明的方法中，所述聚伞花序为单歧有限聚伞花序，在生长过程中，花序轴顶端的花先开，后在花序的下部侧方进行分枝，如此下去，花枝分两列互生，呈不对等序列，形成一定夹角，面向母枝；具有该花序的代表性植物为烟草；聚伞花序的生长阶段是指在花序的整个生长过程根据实际情况划分的生长周期，可以是相等的时间周期，也可以是不等的时间周期，在每个单独的生长阶段中花序的部分的生长数据趋于一致，包括分形单元中根节点、基点、顶端节点和侧枝节点处的平均半径，每个新生分形单元与其相邻分形单元比例系数P a以及每个新生分形单元沿侧生枝方向的旋转角度；可针对不同植物类型采集其整个花序生长过程的数据，根据采集的数据将聚伞花序生长过程划分为多个生长阶段。 上述根节点、基点、顶端节点和侧枝节点处的平均半径根据采集的某一个生长阶段内根节点、基点、顶端节点和侧枝节点处的半径的多个数据分别取平均值获得。在本发明的一个实施例中，对生长阶段a的聚伞花序生长模拟方法还包括在新生分形单元生长的同时，为各分形单元按照生长顺序调用花朵几何模型。所述花朵几何模型包括闭合状态的花朵几何模型，半闭合状态的花朵几何模型，半开放状态的花朵几何模型以及全开放状态的花朵几何模型。在本发明的一个实施例中，所述方法还包括采集各花朵几何模型的平均转变时间，进而根据所述平均转变时间为各分形单元按照生长顺序调用花朵几何模型。这使得对花序生长过程的模拟更加精确。对于本发明的聚伞花序来说，根据其生长过程，除了最后长出的分形单元，其他的分形单元只有顶端节点上有花朵几何模型(因侧枝节点是长出下一个分形单元的位置)，最后长出的分形单元的顶端节点和侧枝节点上均有花朵几何模型。基于上述方法，本发明还提供了一种采用实现模拟聚伞花序生长的模拟系统，包括数据采集模块和生长模拟模块；所述数据采集模块，用于采集生长阶段a的聚伞花序图片，并根据聚伞花序图片设定生长阶段a的分形单元中根节点处的平均半径rparart、顶端节点处的平均半径ι·。ω (11和侧枝节点处的平均半径r。hild2 ；以及用于采集生长阶段a的生长参数，所述生长参数包括 进入生长阶段a前由所有分形单元组成的初始分形单元集nuTreekJ，在生长阶段a内长出的新生分形单元总数~，在生长阶段a内每个新生分形单元与其相邻分形单元比例系数 Pa，每个新生分形单元沿侧生枝方向的旋转角度；所述生长模拟模块，用于根据上述生长阶段a的聚伞花序分形单元和生长参数， 对生长阶段a的聚伞花序的生长过程进行模拟，包括1)设定在生长阶段a内长出新生分形单元的分形单元集*m_Tree[ia]，其中，ia 为正整数，初始、为1 ；2)若 O < ia 彡 na，令 m_Tree[iJ = m_Tree[ia-l]；若 ia = na+l，循环终止；3)以m_Tree[ia-l]的根节点为中心，对mjree [ij按进行旋转，按ρ a进行缩放，并使m_Tree[ia-l]的侧枝节点与m_Tree [ia]的根节点重合，m_Tree [ia_l]的侧生枝连接m_Tree[ia]的柄枝，m_Tree[ia-l]的顶端枝与m_Tree [ij的顶端枝左右互生；4)令 ia = ia+l ；返回到步骤 2)。在本发明的一个实施例中，所述系统还包括花朵几何模型调用模块，所述花朵几何模型调用模块用于在新生分形单元生长的同时，为各分形单元按照生长顺序调用花朵几何模型。所述花朵几何模型包括闭合状态的花朵几何模型，半闭合状态的花朵几何模型， 半开放状态的花朵几何模型以及全开放状态的花朵几何模型。所述数据采集模块还用于采集各花朵几何模型的平均转变时间，所述花朵几何模型调用模块进而根据所述平均转变时间为各分形单元按照生长顺序调用花朵几何模型。本发明提供的聚伞花序生长模拟方法和模拟系统，根据植物的客观生长数据，设定分形单元和生长参数，能够较真实地模拟聚伞花序的生长过程，模型具有较强真实感，与真实花序吻合度较高，在建模过程中，不需大量的交互，且建模过程易理解，能简洁有效地模拟聚伞花序的生长过程，为农业生产提供指导。
图1为本发明提供的一种聚伞花序生长模拟方法的流程图。图2为本发明提供的另一种聚伞花序生长模拟方法的流程图。图3为本发明提供的一种聚伞花序生长模拟系统的结构示意图。图4为本发明提供的另一种聚伞花序生长模拟系统的结构示意图。图5 (a)为采集的烟草花序图片；图5 (b)为根据上述采集的烟草花序图片设定的分形单元，其中1为顶端节点，2为侧枝节点，3为基点，4为根节点，5为顶端枝，6为柄枝，7为侧生枝；图6为初始开花生长阶段烟草聚伞花序的花朵几何模型，其中a为闭合状态的一个花朵几何模型；b，c，d分别为半闭合状态的三个花朵几何模型；e，f分别为半开放状态的两个花朵几何模型；g为开放状态的一个花朵几何模型；图7为初始开花生长阶段烟草聚伞花序生长过程模拟示意图，其中0为初始开花生长阶段时已有分形单元的图片；1和2分别为第一天和第二天长出第一个新生分形单元过程的两张图片；3和4分别为第三天和第四天长出第二个新生分形单元过程的两张图片；5和6分别为第五天和第六天长出第三个新生分形单元过程的两张图片；图8为调用花朵几何模型后初始开花生长阶段烟草聚伞花序生长过程模拟示意图，其中0为进入初始开花生长阶段时，为已有的分形单元分配花朵的几何模型图片；1和2 分别为第一天和第二天长出第一个新生分形单元过程，为各分型单元按生长顺序分配花朵几何模型的图片；3和4分别为第三天和第四天长出第二个新生分形单元过程，为各分型单元按生长顺序调用花朵几何模型的图片；5和6分别为第五天和第六天长出第三个新生分形单元过程，为各分型单元按生长顺序调用花朵几何模型的图片。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和技术效果更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，但以下实施例不能理解为对本发明的可实施范围的限定，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。实施例1利用本发明图3所示的聚伞花序生长模拟系统，根据图1所示的聚伞花序生长模拟方法对烟草聚伞花序生长过程进行模拟。S102 利用数据采集模块21采集第一个分形单元中花蕾即将开放到第一个分形单元中花蕾完全开放的生长阶段，简称初始开花生长阶段的烟草花序图片，其中的一张图片如图5(a)所示，根据采集的烟草花序图片设定分形单元，如图5(b)所示，其中，1为顶端节点，2为侧枝节点，3为基点，4为根节点，5为顶端枝，6为柄枝，7为侧生枝；还包括设定基点处的平均半径rparart、顶端节点处的平均半径r。hildl和侧枝节点处的平均半径r。hild2，使满足r3parent = r3。hildl+r3。hild2，且根节点处的半径与侧枝节点的半径设为相同；然后采集初始开花生长阶段烟草花序的生长参数，所述生长参数包括进入初始开花生长阶段前由所有分形单元组成的初始分形单元集！^扑㈤^」，包括7个分形单元，在初始开花生长阶段内长出的新生分形单元总数na = 3，在初始开花生长阶段内新生分形单元与其相邻分形单元比例系数Pa = 0.9，新生分形单元沿侧生枝方向的旋转角度
(单位度)，依次交替使用；因在初始开花生长阶段内长出3个新生分形单
元，所以第1个新生分形单元的旋转角度为90度，第2个新生分形单元的旋转角度为-135 度，第3个新生分形单元的旋转角度为90度。S103 利用生长模拟模块22，根据上述初始开花生长阶段的聚伞花序分形单元和生长参数，对初始开花生长阶段的聚伞花序的生长过程进行模拟，包括1)设定在生长阶段a内长出新生分形单元的分形单元集为m_Tree[ia]；2)令、=1，若 0< ia《na，令 m_Tree[iJ = m_Tree[ia-l]；若 ia = na+l，循环终止；3)以m_Tree[ia-l]的根节点为中心，对m_Tree [ij按进行旋转，按P a进行缩放，并使m_Tree[ia-l]的侧枝节点与m_Tree [ij的根节点重合，m_Tree [ia_l]的侧生枝连接m_Tree[ia]的柄枝，m_Tree[ia-l]的顶端枝与m_Tree [ij的顶端枝左右互生；4)令 ia = ia+l ；返回到步骤 2)。
在初始开花生长阶段，对烟草聚伞花序生长过程模拟示意图如图7所示。其中对于烟草聚伞花序，实际采集的初始开花生长阶段经历了 6天，其中，平均每两天长出一个分形单元；因此使用7张图片来显示模拟过程(包括1张进入初始开花生长阶段时已有分形单元的图片)，如图7所示，其中，图7中的0代表进入初始开花生长阶段时已有分形单元的图片，图7中的1和2分别代表第一天和第二天长出第一个新生分形单元过程的两张图片，图7中的3和4分别代表第三天和第四天长出第二个新生分形单元过程的两张图片，图 7中的5和6分别代表第五天和第六天长出第三个新生分形单元过程的两张图片。实施例2利用本发明图4所示的聚伞花序生长模拟系统，根据图2所示的聚伞花序生长模拟方法对初始开花生长阶段的烟草聚伞花序植生长过程进行模拟。其中，数据采集模块采集数据的方法，生长模拟模块模拟初始开花生长阶段烟草聚伞花序生长的方法同实施例1。根据实际采集的初始开花生长阶段的烟草聚伞花序每个分形单元上的花朵随时间的变化情况，设定花朵几何模型的种类，如图6所示，其中图6中的a为闭合状态的一个花朵几何模型，图6中的b，c，d分别为半闭合状态的三个花朵几何模型，图6中的e，f分别为半开放状态的两个花朵几何模型，图6中的g为开放状态的一个花朵几何模型，其中数据采集模块21采集的各花朵几何模型的平均转变时间为1天。通过花朵几何模型调用模块23，按照步骤S104，根据上述花朵几何模型的平均转变时间对所有的分形单元按照生长顺序调用花朵几何模型，调用花朵几何模型后的初始开花生长阶段烟草聚伞花序生长模拟示意图如图8所示。图8中的0代表进入初始开花生长阶段时，为已有的分形单元分配花朵的几何模型图片，可以看出已有的7个分形单元均调用图6中的a所示的花朵几何模型。图8中的1和2分别代表第一天和第二天长出第一个新生分形单元过程，为各分型单元按生长顺序分配花朵几何模型的图片，在第一天，对第一个分形单元的顶端节点调用图6中的b所示的花朵几何模型，其余的分形单元调用图6中的a所示的花朵几何模型； 第二天，将6中的b所示的花朵几何模型调用给第二个分形单元的顶端节点，将图6中的c 所示的花朵几何模型调用给第一个分形单元的顶端节点，其余的分形单元调用图6中的a 所示的花朵几何模型；图8中的3和4分别代表第三天和第四天长出第二个新生分形单元过程，为各分型单元按生长顺序调用花朵几何模型的图片，第三天，将图6中的b所示的花朵几何模型调用给第三个分形单元的顶端节点，将6中的c所示的花朵几何模型调用给第二个分形单元的顶端节点，将图6中的d所示的花朵几何模型调用给第一个分形单元的顶端节点，其余的分形单元调用图6中的a所示的花朵几何模型；第四天，将6中的b所示的花朵几何模型调用给第四个分形单元的顶端节点，将6中的c所示的花朵几何模型调用给第三个分形单元的顶端节点，将6中的d所示的花朵几何模型调用给第二个分形单元的顶端节点，将图6中的e所示的花朵几何模型调用给第一个分形单元的顶端节点，其余的分形单元调用图6中的a所示的花朵几何模型；如图8中的5和6所示，代表第五天和第六天长出第三个新生分形单元过程，为各分型单元按生长顺序调用花朵几何模型的图片，第五天，将图6中的b所示的花朵几何模型调用给第五个分形单元的顶端节点，将图6中的c所示的花朵几何模型调用给第四个分形单元的顶端节点，将图6中的d所示的花朵几何模型调用给第三个分形单元的顶端节点，将图6中的e所示的花朵几何模型调用给第二个分形单元的顶端节点，将图6中的f所示的花朵几何模型调用给第一个分形单元的顶端节点，其余的分形单元调用图6中的所示的花朵几何模型；第六天，将6中的b所示的花朵几何模型调用给第六个分形单元的顶端节点， 将6中的c所示的花朵几何模型调用给第五个分形单元的顶端节点，将6中的d所示的花朵几何模型调用给第四个分形单元的顶端节点，将图6中的e所示的花朵几何模型调用给第三个分形单元的顶端节点，将6中的f所示的花朵几何模型调用给第二个分形单元的顶端节点，将图6中的g所示的花朵几何模型调用给第一个分形单元的顶端节点，其余的分形单元调用图6中的a所示的花朵几何模型。上述根据分形单元的生长速度以及花朵变化速度对分形单元调用花朵几何模型的过程可根据具体聚伞花序植物的不同，或者聚伞花序植物所处生长阶段的不同根据实际情况进行适应性调整，其基本的调用方法不变。本发明提供的聚伞花序生长模拟方法和实现该方法的模拟系统，根据植物的客观生长数据，设定分形单元和生长参数，能够较真实地模拟聚伞花序，模型具有较强真实感， 与真实花序吻合度较高，在建模过程中，不需大量的交互，且建模过程易理解，分形级数可确定花朵的开花状态，能简洁有效地模拟聚伞花序的生长过程，为农业生产提供指导。
权利要求
1.一种聚伞花序生长模拟方法，包括将聚伞花序生长过程划分为多个生长阶段，并对每一个生长阶段进行模拟，所述每一个生长阶段采用相同的方法进行模拟，其中对任意一个生长阶段a的模拟方法包括步骤1、采集生长阶段a的聚伞花序图片，根据采集的聚伞花序图片设定生长阶段a的分形单元，包括设定四个节点根节点、基点、顶端节点和侧枝节点；还包括设定根节点处的平均半径rparart、顶端节点处的平均半径r。hildl和侧枝节点处的平均半径r。hild2 ；然后，采集生长阶段a的生长参数，所述生长参数包括进入生长阶段a前由所有分形单元组成的初始分形单元集m_Tree [a0]，在生长阶段a内长出的新生分形单元总数na，在生长阶段 a内每个新生分形单元与其相邻分形单元比例系数P a，每个新生分形单元沿侧生枝方向的旋转角度，生长阶段a内长出一个新生分形单元所需的平均时间；步骤2、根据上述生长阶段a的聚伞花序分形单元和生长参数，对生长阶段a的聚伞花序生长过程进行模拟，包括1)设定在生长阶段a内长出新生分形单元后的分形单元集为m_Tree[ia]，其中，ia为正整数，初始、为1 ；2)若O < na，令 m_Tree[iJ = m_Tree[ia-l]；若 ia = na+l，循环终止；3)&m_Tree[ia-l]的根节点为中心，对m_Tree [ia]按进行旋转，按Pa进行缩放， 并使m_Tree[ia-l]的侧枝节点与m_Tree[ia]的根节点重合，m_Tree [ia_l]的侧生枝连接 m_Tree[iJ的柄枝，m_Tree [ia_l]的顶端枝与m_Tree [ij的顶端枝左右互生；4)令、=ia+l；返回到步骤2)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中对生长阶段a的聚伞花序生长模拟方法还包括 在新生分形单元生长的同时，为各分形单元按照生长顺序调用花朵几何模型。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述花朵几何模型包括闭合状态的花朵几何模型，半闭合状态的花朵几何模型，半开放状态的花朵几何模型以及全开放状态的花朵几何模型。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，还包括采集各花朵几何模型的平均转变时间，进而根据所述平均转变时间为各分形单元按照生长顺序调用花朵几何模型。
5.一种实现模拟聚伞花序生长的模拟系统，包括数据采集模块和生长模拟模块；所述数据采集模块，用于采集生长阶段a的聚伞花序图片，并根据聚伞花序图片设定生长阶段a的分形单元中根节点处的平均半径rparart、顶端节点处的平均半径r。hildl和侧枝节点处的平均半径r。hild2 ；以及，用于采集生长阶段a的生长参数，所述生长参数包括进入生长阶段a前由所有分形单元组成的初始分形单元集为nuTreekJ，在生长阶段a内长出的新生分形单元总数~，在生长阶段a内每个新生分形单元与其相邻分形单元比例系数 Pa，每个新生分形单元沿侧生枝方向的旋转角度；所述生长模拟模块，用于根据上述生长阶段a的聚伞花序分形单元和生长参数，对生长阶段a的聚伞花序的生长过程进行模拟，包括1)设定在生长阶段a内长出新生分形单元的分形单元集*m_Tree[ia]，其中，ia为正整数，初始、为1;2)若O < na，令 m_Tree[iJ = m_Tree[ia-l]；若 ia = na+l，循环终止；3)&m_Tree[ia-l]的根节点为中心，对m_Tree [ij按进行旋转，按Pa进行缩放，并使m_Tree[ia-l]的侧枝节点与m_Tree[ia]的根节点重合，m_Tree [ia_l]的侧生枝连接 m_Tree[iJ的柄枝，m_Tree [ia_l]的顶端枝与m_Tree [ij的顶端枝左右互生；4)令、=ia+l ；返回到步骤2)。
6.根据权利要求5所述的系统，还包括花朵几何模型调用模块，所述花朵几何模型调用模块用于在新生分形单元生长的同时，为各分形单元按照生长顺序调用花朵几何模型。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述花朵几何模型包括闭合状态的花朵几何模型，半闭合状态的花朵几何模型，半开放状态的花朵几何模型以及全开放状态的花朵几何模型。
8.根据权利要求7所述的系统，所述数据采集模块还用于采集各花朵几何模型的平均转变时间，所述花朵几何模型调用模块进而根据所述平均转变时间为各分形单元按照生长顺序调用花朵几何模型。
全文摘要
本发明提供一种聚伞花序生长模拟方法和模拟系统，所述模拟方法包括将聚伞花序生长过程划分为多个生长阶段，并对每一个生长阶段进行模拟，所述每一个生长阶段采用相同的方法进行模拟，其中对任意一个生长阶段a的模拟方法包括步骤1、采集生长阶段a的聚伞花序图片，根据采集的聚伞花序图片设定生长阶段a的分形单元，然后采集生长阶段a的生长参数；步骤2、根据上述生长阶段a的聚伞花序分形单元和生长参数，对生长阶段a的聚伞花序生长过程进行模拟。上述方法根据植物的客观生长数据，设定分形单元，在此基础上能够较真实地模拟聚伞花序的生长过程，为农业生产提供指导。
文档编号G09B5/02GK102222442SQ20111007239
公开日2011年10月19日 申请日期2011年3月24日 优先权日2011年3月24日
发明者杜建军, 温维亮, 肖伯祥, 郭新宇, 陆声链 申请人:北京农业信息技术研究中心
技术领域：
本发明涉及一种花序生长模拟方法和建模系统，尤其涉及一种聚伞花序生长模拟方法和模拟系统。
背景技术：
数字植物是数字农业的基础性研究工作，其综合利用计算机技术对植物的生命过程和农业生产过程进行定量化可视模拟，是农业生产研究，尤其是农业培训的一个新的有效手段。大多数植物的花按一定的顺序排列在花序轴上形成花序，对很多草本植物而言，其整个枝条结构本身就是一个花序，因此花序是植物的一个重要组成部分，在农业生产中，根据花序的生长形态可直观的获得农作物的生长阶段以及农作物的生长状态信息，农业生产者可以根据上述信息判断农作物是否需要施肥、灌溉、除病虫害、修剪等农业措施，因此如何向农业生产者形象的展示不同生长阶段农作物花序的生长过程，尤其是通过计算机技术对不同生长阶段农作物花序的生长过程根据实际数据进行模拟，成为农业培训过程所要解决的重要课题。聚伞花序是众多农作物花序中的一种，代表作物如烟草等，知晓其不同生长阶段的花序生长状态，将有利于帮助农业生产者对其生长过程的掌控，进一步提高作物的产量。 现有花序建模有两种常见方法L系统花序建模方法与草图技术花序建模方法。L系统花序建模方法主要基于语意的拓扑结构构造系统，利用其进行花序建模，主要缺陷在于器官模型粗糙，建模过程不易理解；基于草图技术的花序建模方法虽具有操作简便、快速等优点， 但其在花序建模过程中需要的交互过多，且无法对花序的生长进行模拟。其他的一些现有花序建模方法一般只适用团状花序，团装花序的花柄的位置是假定在一个旋转曲面上，它们形成的模型十分紧凑。而聚伞花序类植物，其花序在生长过程具有明显分枝，无法用旋转曲面描述。因此现有技术还没有一种简洁有效地模拟聚伞花序生长过程的方法，如何在符合植物生长规律的基础上，能够较真实地模拟聚伞花序的生长过程，为农业生产提供指导成为有待解决的问题。
发明内容
本发明提供的一种聚伞花序生长模拟方法，通过根据采集的生长参数设定分形单元，并利用迭代的仿射变换生成算法对聚伞花序生长过程进行模拟，获得符合植物生长规律的聚伞花序生长过程模拟示意图，并且可通过调用花朵几何模型，使得模拟过程更加生动形象，更加适用于农业生产培训过程。本发明进一步还提供了一种实现模拟聚伞花序生长的模拟系统，所述模拟系统通过数据采集模块和生长模拟模块，实现对聚伞花序生长过程的逼真模拟。本发明提供的一种聚伞花序生长模拟方法，包括将聚伞花序生长过程划分为多个生长阶段，并对每一个生长阶段进行模拟，所述每一个生长阶段采用相同的方法进行模拟， 其中对任意一个生长阶段a的模拟方法包括
步骤1、采集生长阶段a的聚伞花序图片，根据采集的聚伞花序图片设定生长阶段 a的分形单元，包括设定四个节点根节点、基点、顶端节点和侧枝节点；还包括设定根节点处的平均半径rparart、顶端节点处的平均半径ι·。ω (11和侧枝节点处的平均半径r。hild2 ；然后，采集生长阶段a的生长参数，所述生长参数包括进入生长阶段a前由所有分形单元组成的初始分形单元集m_Tree [a0]，在生长阶段a内长出的新生分形单元总数na，在生长阶段a内每个新生分形单元与其相邻分形单元比例系数P a，每个新生分形单元沿侧生枝方向的旋转角度，生长阶段a内长出一个新生分形单元所需的平均时间；步骤2、根据上述生长阶段a的聚伞花序分形单元和生长参数，对生长阶段a的聚伞花序的生长过程进行模拟，包括1)设定在生长阶段a内长出新生分形单元后的分形单元集为m_Tree[ia]，其中，ia 为正整数，初始、为1 ；2)若O < ia<na，令 m_Tree[iJ = m_Tree [ia-l]；若 ia = na+l，循环终止;3) &m_Tree[ia-l]的根节点为中心，对m_Tree [ij按进行旋转，按ρ a进行缩放，并使m_Tree[ia-l]的侧枝节点与m_Tree [ia]的根节点重合，m_Tree [ia_l]的侧生枝连接m_Tree[ia]的柄枝，m_Tree[ia-l]的顶端枝与m_Tree [ij的顶端枝左右互生；4)令 ia = ia+l ；返回到步骤 2)。在本发明的方法中，所述聚伞花序为单歧有限聚伞花序，在生长过程中，花序轴顶端的花先开，后在花序的下部侧方进行分枝，如此下去，花枝分两列互生，呈不对等序列，形成一定夹角，面向母枝；具有该花序的代表性植物为烟草；聚伞花序的生长阶段是指在花序的整个生长过程根据实际情况划分的生长周期，可以是相等的时间周期，也可以是不等的时间周期，在每个单独的生长阶段中花序的部分的生长数据趋于一致，包括分形单元中根节点、基点、顶端节点和侧枝节点处的平均半径，每个新生分形单元与其相邻分形单元比例系数P a以及每个新生分形单元沿侧生枝方向的旋转角度；可针对不同植物类型采集其整个花序生长过程的数据，根据采集的数据将聚伞花序生长过程划分为多个生长阶段。 上述根节点、基点、顶端节点和侧枝节点处的平均半径根据采集的某一个生长阶段内根节点、基点、顶端节点和侧枝节点处的半径的多个数据分别取平均值获得。在本发明的一个实施例中，对生长阶段a的聚伞花序生长模拟方法还包括在新生分形单元生长的同时，为各分形单元按照生长顺序调用花朵几何模型。所述花朵几何模型包括闭合状态的花朵几何模型，半闭合状态的花朵几何模型，半开放状态的花朵几何模型以及全开放状态的花朵几何模型。在本发明的一个实施例中，所述方法还包括采集各花朵几何模型的平均转变时间，进而根据所述平均转变时间为各分形单元按照生长顺序调用花朵几何模型。这使得对花序生长过程的模拟更加精确。对于本发明的聚伞花序来说，根据其生长过程，除了最后长出的分形单元，其他的分形单元只有顶端节点上有花朵几何模型(因侧枝节点是长出下一个分形单元的位置)，最后长出的分形单元的顶端节点和侧枝节点上均有花朵几何模型。基于上述方法，本发明还提供了一种采用实现模拟聚伞花序生长的模拟系统，包括数据采集模块和生长模拟模块；所述数据采集模块，用于采集生长阶段a的聚伞花序图片，并根据聚伞花序图片设定生长阶段a的分形单元中根节点处的平均半径rparart、顶端节点处的平均半径ι·。ω (11和侧枝节点处的平均半径r。hild2 ；以及用于采集生长阶段a的生长参数，所述生长参数包括 进入生长阶段a前由所有分形单元组成的初始分形单元集nuTreekJ，在生长阶段a内长出的新生分形单元总数~，在生长阶段a内每个新生分形单元与其相邻分形单元比例系数 Pa，每个新生分形单元沿侧生枝方向的旋转角度；所述生长模拟模块，用于根据上述生长阶段a的聚伞花序分形单元和生长参数， 对生长阶段a的聚伞花序的生长过程进行模拟，包括1)设定在生长阶段a内长出新生分形单元的分形单元集*m_Tree[ia]，其中，ia 为正整数，初始、为1 ；2)若 O < ia 彡 na，令 m_Tree[iJ = m_Tree[ia-l]；若 ia = na+l，循环终止；3)以m_Tree[ia-l]的根节点为中心，对mjree [ij按进行旋转，按ρ a进行缩放，并使m_Tree[ia-l]的侧枝节点与m_Tree [ia]的根节点重合，m_Tree [ia_l]的侧生枝连接m_Tree[ia]的柄枝，m_Tree[ia-l]的顶端枝与m_Tree [ij的顶端枝左右互生；4)令 ia = ia+l ；返回到步骤 2)。在本发明的一个实施例中，所述系统还包括花朵几何模型调用模块，所述花朵几何模型调用模块用于在新生分形单元生长的同时，为各分形单元按照生长顺序调用花朵几何模型。所述花朵几何模型包括闭合状态的花朵几何模型，半闭合状态的花朵几何模型， 半开放状态的花朵几何模型以及全开放状态的花朵几何模型。所述数据采集模块还用于采集各花朵几何模型的平均转变时间，所述花朵几何模型调用模块进而根据所述平均转变时间为各分形单元按照生长顺序调用花朵几何模型。本发明提供的聚伞花序生长模拟方法和模拟系统，根据植物的客观生长数据，设定分形单元和生长参数，能够较真实地模拟聚伞花序的生长过程，模型具有较强真实感，与真实花序吻合度较高，在建模过程中，不需大量的交互，且建模过程易理解，能简洁有效地模拟聚伞花序的生长过程，为农业生产提供指导。
图1为本发明提供的一种聚伞花序生长模拟方法的流程图。图2为本发明提供的另一种聚伞花序生长模拟方法的流程图。图3为本发明提供的一种聚伞花序生长模拟系统的结构示意图。图4为本发明提供的另一种聚伞花序生长模拟系统的结构示意图。图5 (a)为采集的烟草花序图片；图5 (b)为根据上述采集的烟草花序图片设定的分形单元，其中1为顶端节点，2为侧枝节点，3为基点，4为根节点，5为顶端枝，6为柄枝，7为侧生枝；图6为初始开花生长阶段烟草聚伞花序的花朵几何模型，其中a为闭合状态的一个花朵几何模型；b，c，d分别为半闭合状态的三个花朵几何模型；e，f分别为半开放状态的两个花朵几何模型；g为开放状态的一个花朵几何模型；图7为初始开花生长阶段烟草聚伞花序生长过程模拟示意图，其中0为初始开花生长阶段时已有分形单元的图片；1和2分别为第一天和第二天长出第一个新生分形单元过程的两张图片；3和4分别为第三天和第四天长出第二个新生分形单元过程的两张图片；5和6分别为第五天和第六天长出第三个新生分形单元过程的两张图片；图8为调用花朵几何模型后初始开花生长阶段烟草聚伞花序生长过程模拟示意图，其中0为进入初始开花生长阶段时，为已有的分形单元分配花朵的几何模型图片；1和2 分别为第一天和第二天长出第一个新生分形单元过程，为各分型单元按生长顺序分配花朵几何模型的图片；3和4分别为第三天和第四天长出第二个新生分形单元过程，为各分型单元按生长顺序调用花朵几何模型的图片；5和6分别为第五天和第六天长出第三个新生分形单元过程，为各分型单元按生长顺序调用花朵几何模型的图片。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和技术效果更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，但以下实施例不能理解为对本发明的可实施范围的限定，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。实施例1利用本发明图3所示的聚伞花序生长模拟系统，根据图1所示的聚伞花序生长模拟方法对烟草聚伞花序生长过程进行模拟。S102 利用数据采集模块21采集第一个分形单元中花蕾即将开放到第一个分形单元中花蕾完全开放的生长阶段，简称初始开花生长阶段的烟草花序图片，其中的一张图片如图5(a)所示，根据采集的烟草花序图片设定分形单元，如图5(b)所示，其中，1为顶端节点，2为侧枝节点，3为基点，4为根节点，5为顶端枝，6为柄枝，7为侧生枝；还包括设定基点处的平均半径rparart、顶端节点处的平均半径r。hildl和侧枝节点处的平均半径r。hild2，使满足r3parent = r3。hildl+r3。hild2，且根节点处的半径与侧枝节点的半径设为相同；然后采集初始开花生长阶段烟草花序的生长参数，所述生长参数包括进入初始开花生长阶段前由所有分形单元组成的初始分形单元集！^扑㈤^」，包括7个分形单元，在初始开花生长阶段内长出的新生分形单元总数na = 3，在初始开花生长阶段内新生分形单元与其相邻分形单元比例系数Pa = 0.9，新生分形单元沿侧生枝方向的旋转角度
(单位度)，依次交替使用；因在初始开花生长阶段内长出3个新生分形单
元，所以第1个新生分形单元的旋转角度为90度，第2个新生分形单元的旋转角度为-135 度，第3个新生分形单元的旋转角度为90度。S103 利用生长模拟模块22，根据上述初始开花生长阶段的聚伞花序分形单元和生长参数，对初始开花生长阶段的聚伞花序的生长过程进行模拟，包括1)设定在生长阶段a内长出新生分形单元的分形单元集为m_Tree[ia]；2)令、=1，若 0< ia《na，令 m_Tree[iJ = m_Tree[ia-l]；若 ia = na+l，循环终止；3)以m_Tree[ia-l]的根节点为中心，对m_Tree [ij按进行旋转，按P a进行缩放，并使m_Tree[ia-l]的侧枝节点与m_Tree [ij的根节点重合，m_Tree [ia_l]的侧生枝连接m_Tree[ia]的柄枝，m_Tree[ia-l]的顶端枝与m_Tree [ij的顶端枝左右互生；4)令 ia = ia+l ；返回到步骤 2)。
在初始开花生长阶段，对烟草聚伞花序生长过程模拟示意图如图7所示。其中对于烟草聚伞花序，实际采集的初始开花生长阶段经历了 6天，其中，平均每两天长出一个分形单元；因此使用7张图片来显示模拟过程(包括1张进入初始开花生长阶段时已有分形单元的图片)，如图7所示，其中，图7中的0代表进入初始开花生长阶段时已有分形单元的图片，图7中的1和2分别代表第一天和第二天长出第一个新生分形单元过程的两张图片，图7中的3和4分别代表第三天和第四天长出第二个新生分形单元过程的两张图片，图 7中的5和6分别代表第五天和第六天长出第三个新生分形单元过程的两张图片。实施例2利用本发明图4所示的聚伞花序生长模拟系统，根据图2所示的聚伞花序生长模拟方法对初始开花生长阶段的烟草聚伞花序植生长过程进行模拟。其中，数据采集模块采集数据的方法，生长模拟模块模拟初始开花生长阶段烟草聚伞花序生长的方法同实施例1。根据实际采集的初始开花生长阶段的烟草聚伞花序每个分形单元上的花朵随时间的变化情况，设定花朵几何模型的种类，如图6所示，其中图6中的a为闭合状态的一个花朵几何模型，图6中的b，c，d分别为半闭合状态的三个花朵几何模型，图6中的e，f分别为半开放状态的两个花朵几何模型，图6中的g为开放状态的一个花朵几何模型，其中数据采集模块21采集的各花朵几何模型的平均转变时间为1天。通过花朵几何模型调用模块23，按照步骤S104，根据上述花朵几何模型的平均转变时间对所有的分形单元按照生长顺序调用花朵几何模型，调用花朵几何模型后的初始开花生长阶段烟草聚伞花序生长模拟示意图如图8所示。图8中的0代表进入初始开花生长阶段时，为已有的分形单元分配花朵的几何模型图片，可以看出已有的7个分形单元均调用图6中的a所示的花朵几何模型。图8中的1和2分别代表第一天和第二天长出第一个新生分形单元过程，为各分型单元按生长顺序分配花朵几何模型的图片，在第一天，对第一个分形单元的顶端节点调用图6中的b所示的花朵几何模型，其余的分形单元调用图6中的a所示的花朵几何模型； 第二天，将6中的b所示的花朵几何模型调用给第二个分形单元的顶端节点，将图6中的c 所示的花朵几何模型调用给第一个分形单元的顶端节点，其余的分形单元调用图6中的a 所示的花朵几何模型；图8中的3和4分别代表第三天和第四天长出第二个新生分形单元过程，为各分型单元按生长顺序调用花朵几何模型的图片，第三天，将图6中的b所示的花朵几何模型调用给第三个分形单元的顶端节点，将6中的c所示的花朵几何模型调用给第二个分形单元的顶端节点，将图6中的d所示的花朵几何模型调用给第一个分形单元的顶端节点，其余的分形单元调用图6中的a所示的花朵几何模型；第四天，将6中的b所示的花朵几何模型调用给第四个分形单元的顶端节点，将6中的c所示的花朵几何模型调用给第三个分形单元的顶端节点，将6中的d所示的花朵几何模型调用给第二个分形单元的顶端节点，将图6中的e所示的花朵几何模型调用给第一个分形单元的顶端节点，其余的分形单元调用图6中的a所示的花朵几何模型；如图8中的5和6所示，代表第五天和第六天长出第三个新生分形单元过程，为各分型单元按生长顺序调用花朵几何模型的图片，第五天，将图6中的b所示的花朵几何模型调用给第五个分形单元的顶端节点，将图6中的c所示的花朵几何模型调用给第四个分形单元的顶端节点，将图6中的d所示的花朵几何模型调用给第三个分形单元的顶端节点，将图6中的e所示的花朵几何模型调用给第二个分形单元的顶端节点，将图6中的f所示的花朵几何模型调用给第一个分形单元的顶端节点，其余的分形单元调用图6中的所示的花朵几何模型；第六天，将6中的b所示的花朵几何模型调用给第六个分形单元的顶端节点， 将6中的c所示的花朵几何模型调用给第五个分形单元的顶端节点，将6中的d所示的花朵几何模型调用给第四个分形单元的顶端节点，将图6中的e所示的花朵几何模型调用给第三个分形单元的顶端节点，将6中的f所示的花朵几何模型调用给第二个分形单元的顶端节点，将图6中的g所示的花朵几何模型调用给第一个分形单元的顶端节点，其余的分形单元调用图6中的a所示的花朵几何模型。上述根据分形单元的生长速度以及花朵变化速度对分形单元调用花朵几何模型的过程可根据具体聚伞花序植物的不同，或者聚伞花序植物所处生长阶段的不同根据实际情况进行适应性调整，其基本的调用方法不变。本发明提供的聚伞花序生长模拟方法和实现该方法的模拟系统，根据植物的客观生长数据，设定分形单元和生长参数，能够较真实地模拟聚伞花序，模型具有较强真实感， 与真实花序吻合度较高，在建模过程中，不需大量的交互，且建模过程易理解，分形级数可确定花朵的开花状态，能简洁有效地模拟聚伞花序的生长过程，为农业生产提供指导。
权利要求
1.一种聚伞花序生长模拟方法，包括将聚伞花序生长过程划分为多个生长阶段，并对每一个生长阶段进行模拟，所述每一个生长阶段采用相同的方法进行模拟，其中对任意一个生长阶段a的模拟方法包括步骤1、采集生长阶段a的聚伞花序图片，根据采集的聚伞花序图片设定生长阶段a的分形单元，包括设定四个节点根节点、基点、顶端节点和侧枝节点；还包括设定根节点处的平均半径rparart、顶端节点处的平均半径r。hildl和侧枝节点处的平均半径r。hild2 ；然后，采集生长阶段a的生长参数，所述生长参数包括进入生长阶段a前由所有分形单元组成的初始分形单元集m_Tree [a0]，在生长阶段a内长出的新生分形单元总数na，在生长阶段 a内每个新生分形单元与其相邻分形单元比例系数P a，每个新生分形单元沿侧生枝方向的旋转角度，生长阶段a内长出一个新生分形单元所需的平均时间；步骤2、根据上述生长阶段a的聚伞花序分形单元和生长参数，对生长阶段a的聚伞花序生长过程进行模拟，包括1)设定在生长阶段a内长出新生分形单元后的分形单元集为m_Tree[ia]，其中，ia为正整数，初始、为1 ；2)若O < na，令 m_Tree[iJ = m_Tree[ia-l]；若 ia = na+l，循环终止；3)&m_Tree[ia-l]的根节点为中心，对m_Tree [ia]按进行旋转，按Pa进行缩放， 并使m_Tree[ia-l]的侧枝节点与m_Tree[ia]的根节点重合，m_Tree [ia_l]的侧生枝连接 m_Tree[iJ的柄枝，m_Tree [ia_l]的顶端枝与m_Tree [ij的顶端枝左右互生；4)令、=ia+l；返回到步骤2)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中对生长阶段a的聚伞花序生长模拟方法还包括 在新生分形单元生长的同时，为各分形单元按照生长顺序调用花朵几何模型。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述花朵几何模型包括闭合状态的花朵几何模型，半闭合状态的花朵几何模型，半开放状态的花朵几何模型以及全开放状态的花朵几何模型。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，还包括采集各花朵几何模型的平均转变时间，进而根据所述平均转变时间为各分形单元按照生长顺序调用花朵几何模型。
5.一种实现模拟聚伞花序生长的模拟系统，包括数据采集模块和生长模拟模块；所述数据采集模块，用于采集生长阶段a的聚伞花序图片，并根据聚伞花序图片设定生长阶段a的分形单元中根节点处的平均半径rparart、顶端节点处的平均半径r。hildl和侧枝节点处的平均半径r。hild2 ；以及，用于采集生长阶段a的生长参数，所述生长参数包括进入生长阶段a前由所有分形单元组成的初始分形单元集为nuTreekJ，在生长阶段a内长出的新生分形单元总数~，在生长阶段a内每个新生分形单元与其相邻分形单元比例系数 Pa，每个新生分形单元沿侧生枝方向的旋转角度；所述生长模拟模块，用于根据上述生长阶段a的聚伞花序分形单元和生长参数，对生长阶段a的聚伞花序的生长过程进行模拟，包括1)设定在生长阶段a内长出新生分形单元的分形单元集*m_Tree[ia]，其中，ia为正整数，初始、为1;2)若O < na，令 m_Tree[iJ = m_Tree[ia-l]；若 ia = na+l，循环终止；3)&m_Tree[ia-l]的根节点为中心，对m_Tree [ij按进行旋转，按Pa进行缩放，并使m_Tree[ia-l]的侧枝节点与m_Tree[ia]的根节点重合，m_Tree [ia_l]的侧生枝连接 m_Tree[iJ的柄枝，m_Tree [ia_l]的顶端枝与m_Tree [ij的顶端枝左右互生；4)令、=ia+l ；返回到步骤2)。
6.根据权利要求5所述的系统，还包括花朵几何模型调用模块，所述花朵几何模型调用模块用于在新生分形单元生长的同时，为各分形单元按照生长顺序调用花朵几何模型。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述花朵几何模型包括闭合状态的花朵几何模型，半闭合状态的花朵几何模型，半开放状态的花朵几何模型以及全开放状态的花朵几何模型。
8.根据权利要求7所述的系统，所述数据采集模块还用于采集各花朵几何模型的平均转变时间，所述花朵几何模型调用模块进而根据所述平均转变时间为各分形单元按照生长顺序调用花朵几何模型。
全文摘要
本发明提供一种聚伞花序生长模拟方法和模拟系统，所述模拟方法包括将聚伞花序生长过程划分为多个生长阶段，并对每一个生长阶段进行模拟，所述每一个生长阶段采用相同的方法进行模拟，其中对任意一个生长阶段a的模拟方法包括步骤1、采集生长阶段a的聚伞花序图片，根据采集的聚伞花序图片设定生长阶段a的分形单元，然后采集生长阶段a的生长参数；步骤2、根据上述生长阶段a的聚伞花序分形单元和生长参数，对生长阶段a的聚伞花序生长过程进行模拟。上述方法根据植物的客观生长数据，设定分形单元，在此基础上能够较真实地模拟聚伞花序的生长过程，为农业生产提供指导。
文档编号G09B5/02GK102222442SQ20111007239
公开日2011年10月19日 申请日期2011年3月24日 优先权日2011年3月24日
发明者杜建军, 温维亮, 肖伯祥, 郭新宇, 陆声链 申请人:北京农业信息技术研究中心
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