天津农学院
计算机科学与信息工程学院课程设计报告设计题目:基于L系统的虚拟植物模型设计
学生姓名
学号
专业班级
任课教师
成绩评定
2013 年12月
目录
一摘要 (1)
1 L—studio软件的简单介绍 (1)
2 虚拟植物生长 (1)
3 参数L系统 (1)
4 研究方法：分形理论 (1)
二L--system程序及分析 (2)
三.视图文件及分析 (3)
四.效果截果 (4)
五.总结与参考文献 (9)
一摘要
L—studio软件的简单介绍
本设计是参照《仿真与虚拟农业技术》教材整本书以及老师课堂上的讲解编写出来的。
这株虚拟树的设计是借助L—studio的软件工具而生成。
L—studio是基于L系统的Windows软件，用于创建模拟模型并进行模拟实验，它的本质就是一个字符重写系统。
L—studio由以下几个部分组成：
·两个基于L系统的模拟程序：cpfg和lpfg
·一套建模实例，每种植物都作为一个L—studio对象存储
·用于组织和使用所建模型（位于本地或远程机器中）的图形浏览器
·系列用于创建和修改对象的编辑器和其他建模工具
·用于模拟影响植物生长环境的程序库
虚拟植物生长
通过对植物生理生态过程的模拟，能够预测不同环境条件下生长的植物的某些综合指标，而在植物形态结构和环境因素的时空变异对植物生长的影响等方面进行了简化处理。
虚拟植物生长是对植物在三维空间中的结构发育与生长过程的计算机仿真，是植物学家进行研究的重要工具。
参数L系统
我这次所涉及的植物----树，用的是L系统主要类型中的：参数L系统。
参数L系统将字符串的重写过程扩展到了带有参数控制的单词扩展过程，从而实现了既能生成丰富、灵活的植物图形，又能实现其过程可控性。
研究方法：分形理论
这次虚拟植物生长模型主要运用的研究方法是分形理论，分形理论的数学基础是分形几何学，即由分形几何衍生出分形信息、分形设计、分形艺术等应用。
分形几何学是以非规则几何形态为研究对象的几何学分支，由于不规则现象在自然界普遍存在，因此分形几何学又被称为描述大自然的几何学。
在此基础上形成的研究分形性质及其应用的科学称为分形理论。
分形作为几何对象，首先是不规则的，但并不是所有不规则的形状都是分形。
也就是说，分形一般具有无限相似性，这既是分形的特征也是分形的精髓。
关键词【虚拟植物，L—studio，分形理论】
二L--system程序及分析
#define PL 1 /* 间隔期*/
#define DEL 15 /* 延迟引入成花素的基础*/
#define TOTAL 3 /* 最终数量的横向节间*/
Lsystem: 0
derivation length: 50
ignore: +-/
Axiom: D(0)I(0,0)A(0)
/* 成花素产生节间没有达到顶峰和相关的间隔期(休眠)芽*/ I(f,a) < A(t) : f==0 && t<1 --> A(t+1)
I(f,a) < A(t) : f==0 && t==1 --> [+B]I(0,0)/(180)A(0)
/* 成花素转换为达到顶峰开花的花蕾*/
I(f,a) < A(t) : f==1 --> K
/* 引入花素底部后延迟*/
D(t) --> D(t+1)
D(t) < I(f,a) : t==15 --> I(1,a)
/* 引入一个auxin-related信号*/
I(f,a) > K --> I(f,1)
/* 花素的传播(最高)和/或生长素(下降) */
I(fl,al) < I(f,a) > I(fr,ar) --> I(fl,ar)
/* 第一个和最后一个节间*/
I(fl,al) < I(f,a) > A(t) --> I(fl,a)
D(t) < I(f,a) > I(fr,ar) --> I(f,ar)
/* 休眠芽达成的下行活跃信号*/
I(f,a) < B : a==1 --> C(0,0)
/* 活跃的腋芽产生节间的间隔期*/
C(t,n) : t<PL --> C(t+1,n)
C(t,n) : t >= PL && n < TOTAL --> FC(0,n+1)
/* 有产生n节间、侧芽一朵花*/
C(t,n) : t >= PL && n == TOTAL --> Khomomorphism I(f,a) --> ;(1+f+a)F
B --> ;(1)@O(0.3)
K --> ;(4)@O(0.7)
endlsystem
三视图文件及分析
angle increment: 60 // 角增量
initial color: 1 //最初的颜色
color increment: 2 //颜色增加
initial line width: 4 pixels //最初线宽：4像素scale factor: 0.9000 //比例因子
contour sides: 16 //轮廓面
render mode: filled //渲染模式
四效果截图
Step1
Step2
Step3 Step 4
Step 5 Step6
Step7 Step8
Step9 实物
五总结
L-system是一系列不同形式的正规语法规则，多被用于植物生长过程建模，但是也被用于模拟各种生物体的形态。
L-system也能用于生成自相似的分形，例如迭代函数系统。
最初，L系统被设计成用于提供一种关于简单多细胞生物体生长的正规描述，并且试图证明植物细胞之间的紧密关系。
不久以后，这个系统被扩展成描述高等植物及其复杂枝杈结构。
L-system的自然递归规则导致自相似性，也因此使得分形一类形式可以很容易的使用L-system描述。
植物模型和自然界的有机结构生成，非常相似并很容易被定义，因此通过增加递归的层数，可以缓慢生长并逐渐变得更复杂。
L-system同样在制造人造生命领域。
通过运用L—studio对虚拟植物树的设计，L系统在模拟植物生长过程时相对于其他软件容易。
另外，我发现L系统还是具有一些局限性：为了描述更多的结构和形态特征，L系统需要不断地引进具有特定意义的符号来增强其功能，这样就使得符号多且庞杂，很难记忆使用，在程序开发时也很难实现模块化。
通过这几天的设计，学识方面取得了很大的进步，明白了做事情要积极、认真，虚心求教、不耻下问。
坚持就一定能做出自己理想的项目，设计出心中想要的植物。
以后，我会更加努力的学习知识，为以后的道路打下坚实的基础。
参考文献
仿真与虚拟农业设计【李乃祥】
农业信息学【曹卫星】
9。