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一種基于本體和特征綜合推理的植物建模方法

2010-11-20 08:06:58陳冬麗蘇禮楷
關(guān)鍵詞:實(shí)例本體建模

陳冬麗, 蘇禮楷, 柳 薇

(1.華南師范大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,廣東廣州 510631;2.廣東商學(xué)院教育技術(shù)中心,廣東廣州 510320)

一種基于本體和特征綜合推理的植物建模方法

陳冬麗1, 蘇禮楷2*, 柳 薇1

(1.華南師范大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,廣東廣州 510631;2.廣東商學(xué)院教育技術(shù)中心,廣東廣州 510320)

介紹了植物模擬的研究背景,討論了當(dāng)前的植物建模的方法以及它們的特點(diǎn),提出了基于本體和特征綜合推理的植物建模方法. 將植物學(xué)領(lǐng)域本體應(yīng)用于植物建模中,以高等植物的葉片為例子對(duì)本方法的建模過(guò)程進(jìn)行闡述.

本體; 綜合推理; 植物模擬; 幾何模型

計(jì)算機(jī)建模[1]的目的是通過(guò)構(gòu)造一個(gè)簡(jiǎn)單的但能反映物理世界中真實(shí)對(duì)象的數(shù)學(xué)抽象描述模型來(lái)模擬被研究對(duì)象的生成、發(fā)展及變化的過(guò)程,從而為解釋現(xiàn)象、揭示機(jī)理、發(fā)現(xiàn)規(guī)律、預(yù)測(cè)未來(lái)、模擬外形提供有力的工具.

植物形態(tài)結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)模擬是一項(xiàng)很有意義的研究工作. 植物是自然界最常見(jiàn)的景觀之一,其種類(lèi)繁多,形態(tài)萬(wàn)千,具有復(fù)雜的形態(tài)特征. 對(duì)自然界的植物形態(tài)及生長(zhǎng)發(fā)育進(jìn)行建模,一方面對(duì)于探索植物生長(zhǎng)過(guò)程的規(guī)律,深化對(duì)農(nóng)學(xué)、植物學(xué)的研究具有重要的意義;另一方面,植物模擬在藝術(shù)設(shè)計(jì)、動(dòng)畫(huà)制作、游戲開(kāi)發(fā)等領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)用. 在過(guò)去的三十多年中,植物模擬的研究和應(yīng)用已經(jīng)得到了相當(dāng)程度的發(fā)展[2]. 但是,各種建模方法仍有其各自的適用范圍和局限性. 例如基于幾何參數(shù)方法的植物建模方法以單純的數(shù)學(xué)方法在實(shí)現(xiàn)各種植物構(gòu)造模型方面能力仍然有限,如真實(shí)感比較差,建模工作量大,同類(lèi)植物缺乏個(gè)性;而基于植物圖像的建模方法也存在著自身的瓶頸,如植物與背景難以融合,植物造型受到視點(diǎn)位置影響,需采集大量真實(shí)圖片;基于生物學(xué)機(jī)理與環(huán)境控制的建模方法提出了一種植物模擬的新思路,可以更精確、更具體、更本質(zhì)地對(duì)植物進(jìn)行模擬. 但是由于生物本身的機(jī)理非常復(fù)雜,物種差異性較大,具體應(yīng)用和實(shí)施這種策略工作量很大. 可以說(shuō),到目前為止以植物為對(duì)象的建模方法遠(yuǎn)未完善.

1 植物形態(tài)建模的研究現(xiàn)狀

以植物為研究對(duì)象的計(jì)算機(jī)模型可以有多種分類(lèi)形式,其模型分類(lèi)的依據(jù)常常因觀察問(wèn)題的角度以及解決問(wèn)題的策略不同而不同. 縱觀植物建模工作的研究歷程,根據(jù)建模策略的不同,可以劃分為以下4種類(lèi)型.

1.1基于幾何參數(shù)方法的植物建模

基于幾何參數(shù)方法的植物建模通過(guò)構(gòu)建不同的數(shù)學(xué)模型,力求模擬更真實(shí)的植物. 已有的基于幾何參數(shù)的建模方法有:LINDENMAYER[3]提出了基于文法、側(cè)重于植物拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的L-系統(tǒng),并由Prusinkiewicz將其用于樹(shù)木及其他植物的造型;隨后,有學(xué)者對(duì)L-系統(tǒng)做出改進(jìn)、拓展,提出了允許與環(huán)境因素交互的開(kāi)放的L-系統(tǒng)——Open L-系統(tǒng)[4];REEVES[5]提出了注重于模擬花、草、樹(shù)整體環(huán)境的粒子系統(tǒng);AONO[6]建立了樹(shù)木的三維結(jié)構(gòu)模型(GMT1~GMT4),并在此基礎(chǔ)上提出了A-系統(tǒng);WEBER等人[7]提出了“邊生長(zhǎng)、邊修正”的模擬樹(shù)木分步生長(zhǎng)的模擬方法.

1.2基于植物圖像的建模方法

“基于圖像的造型(Image-based modeling)”[8]是指通過(guò)對(duì)一幅或多幅圖像的分析和處理,獲得圖像中物體三維幾何描述的技術(shù). 就目前技術(shù)而言,完全自動(dòng)地從圖像中分離出某自然景物的幾何和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是不可能的,必須加入人的干預(yù). 在這種方法中,首先交互地分割出樹(shù)木的枝干,而后進(jìn)一步提取每一枝干的“骨架”,然后基于“骨架上的點(diǎn)為均勻分布”這一假設(shè),構(gòu)造出對(duì)應(yīng)枝干上的對(duì)應(yīng)點(diǎn),最后利用視覺(jué)的三維重建技術(shù)恢復(fù)枝干的三維造型.由于取材于真實(shí)的自然樹(shù)木,應(yīng)用這種方法得到的樹(shù)木造型具有較強(qiáng)的真實(shí)感;由于是基于圖像,因而造型方法與具體樹(shù)種無(wú)關(guān),具有很強(qiáng)的獨(dú)立性和普適性;由于采用交互技術(shù),造型過(guò)程變得簡(jiǎn)單直觀,有著較強(qiáng)的實(shí)用性.

1.3基于生物學(xué)機(jī)理與環(huán)境控制的建模方法

基于生物學(xué)機(jī)理和環(huán)境控制的建模方法[9]將植物模擬的動(dòng)態(tài)模型構(gòu)建為由3個(gè)模型和1個(gè)控制機(jī)組成,即幾何模型、生物模型、環(huán)境模型和模擬控制機(jī).該模型的工作原理:模型接收用戶提交的具體環(huán)境數(shù)據(jù),用于建立環(huán)境模型;接收用戶提交的植物特征數(shù)據(jù)和初始結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)用于建立植物初始幾何模型;接收植物生長(zhǎng)特性數(shù)據(jù)和植物運(yùn)動(dòng)特性數(shù)據(jù)用于建立生物模型. 隨后,在時(shí)間序列驅(qū)動(dòng)下,模擬控制機(jī)構(gòu)計(jì)算形態(tài)結(jié)構(gòu)的變化,并控制幾何模型完成這些變化的幾何計(jì)算,從而得到植物生長(zhǎng)過(guò)程某一時(shí)刻的三維結(jié)構(gòu). 該方法不單是追求植物形態(tài)外觀的顯示效果,而且是基于植物自身的生物學(xué)機(jī)理及生長(zhǎng)環(huán)境的控制,能夠更好地描述植物形態(tài),達(dá)到了更精確、更具體、更本質(zhì)的要求.

1.4基于特征綜合推理的建模方法

綜合推理[10]是一種具有生產(chǎn)性、創(chuàng)新性等特點(diǎn)的新型推理模型. 綜合推理的輸入是一個(gè)或多個(gè)綜合源及綜合要求,輸出是綜合結(jié)果. 基于特征綜合的植物建模方法將推理應(yīng)用于植物模型的創(chuàng)建中,將用戶已創(chuàng)建好或已整理好的植物模型作為綜合源,由用戶所期望表達(dá)的語(yǔ)義特征作為綜合要求. 結(jié)果模型在綜合要求的高層語(yǔ)義指導(dǎo)下,通過(guò)分解、綜合、內(nèi)插、外推等手段,直觀地構(gòu)造出用戶期望的植物三維模型. 基于上述思想創(chuàng)建的植物三維模型,不但可以直接利用前人積累的優(yōu)秀創(chuàng)作素材,而且綜合源和綜合要求的指定也比較直觀,顯式地反映了用戶的意圖,有助于快速得到用戶所期望的植物模型,為用戶提供了一種新穎的植物建模方法.

2 基于本體的特征綜合推理建模

在現(xiàn)有植物形態(tài)模擬建模方法的基礎(chǔ)上,針對(duì)植物模擬的效率以及植物模型的可復(fù)用性,提出了一種基于本體和特征綜合推理的植物建模方法:以植物的幾何模型作為推理的綜合源,輸入植物特征的綜合描述作為用戶期待表達(dá)的語(yǔ)義特征,通過(guò)植物本體及其推理規(guī)則的推理,獲得符合用戶要求的幾何參數(shù)實(shí)例,再利用圖形接口將參數(shù)實(shí)例進(jìn)行圖形輸出. 由于自然界存在的植物結(jié)構(gòu)多樣,對(duì)植物本體的提取工作非常復(fù)雜,故本文以高等植物的葉片為例子,對(duì)建模的方法進(jìn)行闡述.

為了對(duì)植物葉片進(jìn)行基于本體和特征綜合推理的建模,必須實(shí)現(xiàn)以下的工作:

(1)分析和抽取描述葉片形態(tài)的特征,作為用戶進(jìn)行植物模擬時(shí)表達(dá)所期望的語(yǔ)義;

(2)給出葉片的幾何模型,實(shí)現(xiàn)葉片特征的形式化表示;

(3)定義植物葉片的領(lǐng)域本體,并依據(jù)葉片特征與幾何模型之間的關(guān)系,構(gòu)建相應(yīng)的推理規(guī)則;

(4)圖形接口和系統(tǒng)框架的實(shí)現(xiàn).本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框架,如圖1所示.

圖1 基于本體和特征綜合推理系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架

Fig.1 The design framework based on ontology and features synthesis reasoning

2.1分析和提取描述葉片形態(tài)的特征

植物葉片是組成植物體最重要的組成部分之一.不同的葉片大小和形狀在不同種類(lèi)的植物中差異性很大,但是對(duì)于一種植物而言是比較穩(wěn)定的特征,可以作為鑒別植物的依據(jù). 文章根據(jù)植物學(xué)的有關(guān)知識(shí),抽取出植物葉片的形態(tài)特征,建立了植物葉片的特征描述體系.圖2是葉片特征描述體系的一部分.

圖2 植物葉片特征(部分)

由圖2可知,葉片的形狀由葉形、葉尖、葉基、葉脈、葉緣、葉缺、葉質(zhì)等部分綜合地決定.每一部分又有其各自不同的形態(tài)特征,如葉形的具體描述就有披針形、橢圓形、倒卵形、心形等等.

2.2葉片特征的形式化

葉片的形態(tài)模擬實(shí)際上是一個(gè)葉片的幾何建模問(wèn)題,通過(guò)對(duì)葉片形態(tài)結(jié)構(gòu)的分析和抽象,設(shè)計(jì)出能近似表示葉片真實(shí)形態(tài)的幾何模型,然后以計(jì)算機(jī)理解的形式化語(yǔ)言,實(shí)現(xiàn)葉片形態(tài)結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)表示和圖形輸出. 葉片的形態(tài)模擬可以利用前人已經(jīng)建立的模型,也可以自己建立模型,通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定滿足特征約束的一組參數(shù).

文章基于三次樣條曲線,定義葉形的幾何模型為一個(gè)六元組Leaf(L,θ0,φ0,f1,f2,F), 其中,L為葉片的主脈向量,決定葉片大小和位置;θ0和φ0分別表示葉尖角和葉基角,影響葉尖和葉基的形狀;f1、f2分別為θ0、φ0的控制函數(shù),影響葉片的邊緣形狀;F為基于模型的三次樣條生成算法. 表1給出了部分葉片特征與幾何參數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系.

表1 葉形特征與模型參數(shù)的關(guān)系

2.3本體的構(gòu)建和推理規(guī)則的建立

植物葉片本體作為葉片模型語(yǔ)義推理的基礎(chǔ),可用于自動(dòng)生成符合用戶要求的模型參數(shù)實(shí)例. 構(gòu)建植物葉片領(lǐng)域本體目的是解決特征的語(yǔ)義推理問(wèn)題,即經(jīng)過(guò)推理確定滿足輸入葉片特征語(yǔ)義要求的一組參數(shù)實(shí)例.

2.3.1 本體庫(kù)的詞典 建立植物領(lǐng)域本體庫(kù),其目的主要是建立植物葉片模擬中所涉及到的各種實(shí)體和資源之間的關(guān)聯(lián),通過(guò)建立本體可清楚地了解各相關(guān)的概念與限制條件,這些可作為后續(xù)綜合推理的基礎(chǔ). 植物葉片本體作為葉片模型語(yǔ)義推理的基礎(chǔ),可用于自動(dòng)生成符合用戶要求的模型參數(shù)實(shí)例.

葉片模型推理過(guò)程中會(huì)涉及到的植物學(xué)概念主要有:葉片、葉形、葉尖、葉基、葉脈等.此外,還包括與上述特征相對(duì)應(yīng)的幾何模型實(shí)體. 相關(guān)實(shí)體如下:

葉形模型:主要用于描述葉形的特征參數(shù).

葉尖模型:主要用于描述尖部的特征參數(shù).

葉基模型:主要用于描述基部的特征參數(shù).

葉片:主要包含葉形、葉尖、葉基和葉脈等特征.

葉形:主要用于描述葉形的性質(zhì),如披針形、橢圓形、倒卵形等.

葉尖:主要用于描述葉尖的性質(zhì),如驟尖的、漸尖的、急尖的等.

葉基:主要用于描述葉基的性質(zhì),如偏斜的、漸狹的、心形的等.

2.3.2 構(gòu)建屬性 植物葉片本體對(duì)象的屬性可分為對(duì)象屬性和數(shù)據(jù)屬性.數(shù)據(jù)屬性是用于描述葉片特征的幾何模型的參數(shù),它的值域是數(shù)值的范圍,如用于描述葉片的葉尖角、葉基角的角度參數(shù).

對(duì)象屬性是用于規(guī)范本體庫(kù)中的實(shí)例,確定實(shí)例在哪些類(lèi)中可以使用,而對(duì)象屬性的值是本體庫(kù)中的實(shí)例,如葉形為橢圓形的實(shí)例.

2.3.3 構(gòu)建實(shí)例庫(kù) 實(shí)例庫(kù)是系統(tǒng)提供給用戶檢索的實(shí)例的集合. 為本體庫(kù)預(yù)先定義好實(shí)例,可以用2種不同的實(shí)例生成方法:(1)計(jì)算機(jī)自動(dòng)生成,根據(jù)數(shù)據(jù)屬性的約束條件,利用有關(guān)統(tǒng)計(jì)規(guī)律,如正態(tài)分布規(guī)律來(lái)隨機(jī)產(chǎn)生一組實(shí)例. (2)人工手動(dòng)輸入,由本體開(kāi)發(fā)人員預(yù)先輸入滿足某種特征語(yǔ)義的參數(shù)實(shí)例. 定義好的實(shí)例保存在實(shí)例庫(kù)中,用戶輸入植物葉片是特征描述,系統(tǒng)則根據(jù)推理規(guī)則的要求,在實(shí)例庫(kù)中檢索滿足條件的數(shù)據(jù),進(jìn)行輸出.

2.3.4 構(gòu)建推理規(guī)則 建立推理規(guī)則的目的是根據(jù)葉片特征與模型參數(shù)的關(guān)系,在葉片特征的實(shí)例庫(kù)中,檢索滿足用戶所期待的語(yǔ)義的實(shí)例,實(shí)現(xiàn)基于特征綜合推理的葉片形態(tài)模擬. 推理的過(guò)程是將人對(duì)植物特征的描述,轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可以理解的邏輯條件,并實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的自動(dòng)推理輸出.葉片的形態(tài)一般由若干個(gè)參數(shù)的取值約束來(lái)確定.

2.4圖形接口的實(shí)現(xiàn)

圖形接口實(shí)現(xiàn)了一個(gè)葉片形態(tài)的圖形模擬系統(tǒng),主要完成以下3個(gè)方面的功能:

(1)圖形生成:以葉片特征綜合推理得到的參數(shù)實(shí)例為輸入,依據(jù)定義好的有關(guān)模型和算法,生成葉片模擬所需的圖形數(shù)據(jù).

(2)圖形數(shù)據(jù)存儲(chǔ):存儲(chǔ)生成的葉片圖形數(shù)據(jù)到外部存儲(chǔ)設(shè)備,如磁盤(pán)文件、數(shù)據(jù)庫(kù)等.

(3)圖形輸出:輸出有關(guān)的葉片圖形到顯示器、打印機(jī)等終端.

2.5實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.5.1 特征實(shí)例的選取 選擇4組不同的葉片特征實(shí)例(如表2所示),作為綜合推理的綜合要求,以已經(jīng)建立的實(shí)例庫(kù)作為綜合推理的綜合源.

表2 葉片特征的實(shí)例選取

2.5.2 推理結(jié)果 對(duì)選取的葉片特征實(shí)例進(jìn)行綜合推理,并將推理結(jié)果中滿足特征語(yǔ)義要求的第一組模型參數(shù)實(shí)例進(jìn)行輸出,表3所示為葉形特征的參數(shù)選擇結(jié)果.

表3 推理結(jié)果的模型參數(shù)實(shí)例

2.5.3 參數(shù)實(shí)例的圖形輸出 將推理得到的模型參數(shù)進(jìn)行圖形生成及輸出,結(jié)果如圖3所示.

圖3 葉片特征輸入對(duì)應(yīng)的圖形輸出

2.5.4 結(jié)果分析 本文選取4種不同葉形特征的實(shí)例進(jìn)行實(shí)驗(yàn),基于文中給出的幾何模型和相關(guān)推理規(guī)則進(jìn)行推理,得到了滿足葉形語(yǔ)義特征的一組幾何參數(shù),并對(duì)推理的結(jié)果進(jìn)行圖形輸出. 實(shí)驗(yàn)的結(jié)果說(shuō)明了本文方法所生成的圖形基本滿足了選取的葉形特征;能基于特征推理,快速生成用戶期待的模型. 但是,文中的方法也有許多不足之處,如構(gòu)造的幾何模型為二維的,其葉緣曲線也簡(jiǎn)化為光滑曲線,使得圖形的真實(shí)感較差. 此外,研究的對(duì)象也僅限于植物的葉片,對(duì)植物其他部分的研究尚未涉及.

3 結(jié)論

近幾年來(lái)本體論和語(yǔ)義網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展,為計(jì)算機(jī)圖形建模技術(shù)帶來(lái)了新的機(jī)遇. 特別是領(lǐng)域本體的發(fā)展,使得其它學(xué)科與計(jì)算機(jī)科學(xué)的交叉更為廣泛,同時(shí)也促進(jìn)了其它學(xué)科的進(jìn)一步發(fā)展. 本文將植物學(xué)和本體論應(yīng)用于植物的模擬,提出一種新的植物建模方法.

基于本體和特征綜合推理的植物建模方法,在葉片形態(tài)的基礎(chǔ)上抽象出幾何特征,建立本體庫(kù)和相應(yīng)的植物葉片模型,再通過(guò)植物葉片本體庫(kù)和推理規(guī)則的建立完成植物葉片的模擬. 用戶輸入葉片的形態(tài)特征來(lái)描述建模的具體要求,具有建模效率高、更加方便、直觀的特點(diǎn). 另外,基于本體和葉片模擬的幾何參數(shù)實(shí)例庫(kù)共享已有的植物模型,能夠有效地提高植物模型的復(fù)用性.

本文探討了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、植物學(xué)和本體論在植物模擬領(lǐng)域相結(jié)合的應(yīng)用模式,為相關(guān)方面課題的研究做出初步的探索,但仍存在許多不足及局限,需要在后續(xù)的工作中不斷總結(jié)與改進(jìn). 本文的建模對(duì)象僅僅是高等植物的葉片,隨著研究的深入,建模的對(duì)象將擴(kuò)展到整株植物.

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Keywords: ontology; synthesis reasoning; plant simulation; geometry model

【責(zé)任編輯 莊曉瓊】

ANEWMODELINGMETHODOFPLANTSBASEDONONTOLOGYANDFEATURESSYNTHESISREASONING

CHEN Dongli, SU Likai, LIU Wei

(1.School of Computer, South China Normal University, Guangzhou 510631, China; 2.Centre of Educational Technology, Guangdong University of Business Studies, Guangzhou 510320, China)

Plant simulation research background was introduced, and the current modeling methods and their characteristics were discussed. A new modeling method of plant simulation based on ontology and features synthesis reasoning is brought. Botany domain ontology is applied to plant modeling. The leaves of higher plants were used as examples to elaborate the process of this method.

2009-11-06

陳冬麗(1983—),女,廣東揭陽(yáng)人,華南師范大學(xué)2007級(jí)碩士研究生,主要研究方向:圖像處理及圖形學(xué),Email:chen_dongli@126.com;蘇禮楷(1982—),男,廣東潮州人,廣東商學(xué)院助理實(shí)驗(yàn)師,主要研究方向:圖像處理及圖形學(xué),Email:likai.su@126.com.

*通訊作者

1000-5463(2010)02-0045-05

TP391

A

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Abstracts and Key Words
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聯(lián)想等效,拓展建?!浴皫щ娦∏蛟诘刃?chǎng)中做圓周運(yùn)動(dòng)”為例
基于PSS/E的風(fēng)電場(chǎng)建模與動(dòng)態(tài)分析
電子制作(2018年17期)2018-09-28 01:56:44
不對(duì)稱(chēng)半橋變換器的建模與仿真
《我應(yīng)該感到自豪才對(duì)》的本體性教學(xué)內(nèi)容及啟示
完形填空Ⅱ
完形填空Ⅰ
三元組輻射場(chǎng)的建模與仿真
Care about the virtue moral education
卷宗(2013年6期)2013-10-21 21:07:52
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