基于PlantFactory的三维植物生长动画可视化研究

时间：2024-05-04

鲁玉佳，张金区

（华南师范大学计算机学院，广州 510000）

0 引言

作为自然界中最常见的景物之一，植物拥有复杂的三维结构，且其种类繁多，功能各异，为地球其他生灵提供了赖以生存的环境。植物的生长过程具有明显的形态结构变化，通过观察其生长动态模型，具有揭示自然规律与进行科普教育的意义。

虚拟现实是在计算机图形学、计算机仿真与硬件检测等信息技术交叉综合形成的前沿技术[1]。运用虚拟现实技术对植物进行仿真建模，探寻植物生长规律，同时对植物生长环境，如阳光、土壤、水分等影响的研究同样具有重要价值。本文针对草本、乔木、藤木等三种植物类型的部分植物进行建模，基于野外测量的真实植物高度、叶长、叶宽、枝杈长度、结节数等参数进行仿真可视化建模，制作植物从幼芽、植株、花、果实、种子全部生长过程的植物动画。

目前构建虚拟植物模型的工具主要有：SpeedTree、Xfrog、Plant Studio、L-studio、PlantFactory 等。它们可以根据植物的几何特征，构建真实的植物模型，根据植物生长规律，定量地模拟植物生长过程[2]。SpeedTree是目前的主流植物建模软件，主要用于游戏与大规模真实感树林的建造，侧重于植物模型的美观，但是除了一些风吹动画外，无法制作生长动画。Xfrog与Plant Studio定义了描述植物真实属性的参数表，符号输入植物结构，叶、花、树干组合成真实植物，但是不可以自定义植物模型。L-studio是基于L系统开发的软件，基于拓扑结构结合计算机图形学描述植物模型，是应用广泛的科学研究软件[3]，但其专用的编程语言复杂，难于理解。PlantFactory是一款功能强大的植物制作软件，花、草、树木所有都能建模实现，支持自定义植物建模，拥有精细风场、生长及四季动画。

1 植物建模与PlantFactory

1.1 PlantFactory与VUE介绍

由E-on Software公司开发的PlantFactory，被称作植物工厂，是一款强大的植物建模软件，能制作小草、花木、现实植物，甚至是梦幻植物的虚拟3D模型，通过绘画创造你的植被，组装简单的积木，或完全图形化所有植物的特性。它还拥有动画制作功能，制作拥有四季变换、生长过程开花结果的植物动画。植物出口完全装配，完全纹理化，具有UV地图和位移，以及所有多细节层次技术（Level of Detail，LoD），微风或风动画植物可以作为完全装配的网格或动画顶点云导出。

VUE也是E-on公司的产品，它是一款制作真实自然环境的软件，生成的自然环境效果逼真，如临其境。使用VUE结合PlantFactory，将PlantFactory中的静态年龄属性制作成VUE的mp4格式视频动画，能够放入用Three.js编程的三维网页中进行播放，观看植物生长过程。

1.2 基于PlantFactory的植物模型构建

PlantFactory拥有完备的节点连接机制，如构建树根、树干、树枝的几何节点；生成树藤的循环节点、调整风力的控制节点；模拟果实形状的样条线节点等，如图1。运用节点及节点内部的参数来创建与调整植物模型，节点具有统一性、协调性与可控性。用PlantFactory构建植物模型，按照植物的生长过程，依次构建树根、树干、树枝、树叶等元素，并在此基础上制作生长与四季动画。构建步骤如图2。

图1 PlantFactory节点集

图2模型构造步骤

运用节点内部参数的多变性与统一性，单节点即可构造完整植物。作为使用最广泛的植物制作几何节点集，几何节点集包含Segment节点、Urchin节点、Billboard节点、Warpboard节点、Hydra节点等，各个节点可构造的植物类型几乎包含所有草本、乔木、灌木。节点构造植物器官如图3所示。单节点Segment构建植物示例如图4。

图3几何节点集

图4单节点构造整棵植物效果图

节点以参数的调整来塑造模型，以Urchin与Hydra节点为例，Urchin与Hydra节点常被用来制作模拟果实的球状模型，模拟花朵的环绕瓣状模型。参数面板中，Radius设置球类果实的半径，Profile辅助调整模型形状，制作的藤类植物西瓜模型见图5、图7。Hydra节点参数Number设置草叶的片数，Scale与Angle调整叶片环绕角度及高度，制作的草本植物车前草如图6、图 8。

植物模型的构建，遵循在大自然中植物生长的规律，由树根到树干、树枝、树叶，由花、果实到种子，构建过程一层一层构建，通过节点集成，各个节点各自分离，参数互不干扰，但又具有特殊连接。

1.3 基于分形的植物生长模型建模

植物的生长发育是一项复杂的过程，它具有的控制变量与影响因素众多，变量与生长结果之间有动态耦合的关系，且植物的生长过程具有随机性[4]。因此建立的植物生长模型，是在一定的假设条件下，并根据特定的研究内容，对植物生长过程进行简化处理。

图5 Urchin参数面板

图6 Hydra参数面板

图7藤类植物西瓜

图8草本植物车前草

本研究植物生长模型基于分形思想，分形理论是一个数学分支，研究自然界与非线性系统中不规则、不光滑的几何形体[5]。分形树是具有自相似特点的分形问题，采用递归算法生成分形树。构造分形树，先确定基本生成元，规定树干的高度、树干底半径、枝顶半径、树枝偏离角度、顶底半径比、树的层数等，根据生成规则在每层重绘直至递归结束[6]。根据递归算法，迭代枝干效果及分形思想制作的乔木苹果树见图9。

图9枝干迭代效果

2 植物生长过程可视化

2.1 植物生长过程建模

PlantFactory构建完成后的模型，为其添加年龄属性，并编辑不同年龄的状况，包含其生长过程。同VUE xStream进行合作完成创建植物生长的可视化。详细过程包括：创建项目、初始化场景、切换场景捕获模式为视频、重置时间线、导入PlantFactory模型、拖动时间线到某一固定时刻、完成调整模型年龄状态、软件自动生成补间动画、完成一个年龄段到另一个年龄段的可视化过程。

通过PlantFactory将植物模型导出TPF格式，该格式的植物模型具备生长属性，可通过参数调节查看生长过程，调整界面及生长模型见图10。

图10调整植物属性，使用补间动画完成植物生长过程

2.2 模型加载与渲染

PlantFactory构建完成后，导出FBX模型文件，使用Three.js进行解析渲染，完成在网页进行植物生长模型可视化科普教育的目的。

FBX文件是免费的三维数据交换格式，可以跨平台使用，目前大多数建模软件都支持FBX的解析与生成。PlantFactory可以将生成的植物模型转换成FBX格式文件，通过分析和解析FBX文件，将FBX以最优的方式融合进Three.js中。

FBX是以scene graph的结构来存储模型的所有信息，FBX SDK加载FBX模型过程，首先完成SDK初始化和FbxScene的初始化，初始化结束，从获得的根结点遍历到每一个子结点。几何网格的加载主要包含网格顶点信息、顶点颜色、每个顶点所对应的法向、UV信息、Tangent信息等。完成场景和模型的构建后渲染出模型的雏形，通过材质的加载、Camera和Light的加载、动画的加载和骨骼蒙皮动画加载完成最终的模型渲染，模型加载过程图见图11。

图11模型加载过程图

通过使用FBX SDK中FbxExporter完成FBX模型导出，见图12。Three.js渲染模型步骤见图13。

图12导出过程图

图13 Three.js渲染模型