一種基于本體和特征綜合推理的植物建模方法

陳冬麗， 蘇禮楷, 柳 薇

(1.華南師范大學(xué)計算機學(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)計算機學(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，討論了當前的植物建模的方法以及它們的特點，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本方法的建模過程進行闡述.

本體； 綜合推理； 植物模擬； 幾何模型

計算機建模[1]的目的是通過構(gòu)造一個簡單的但能反映物理世界中真實對象的數(shù)學(xué)抽象描述模型來模擬被研究對象的生成、發(fā)展及變化的過程，從而為解釋現(xiàn)象、揭示機理、發(fā)現(xiàn)規(guī)律、預(yù)測未來、模擬外形提供有力的工具.

植物形態(tài)結(jié)構(gòu)的計算機模擬是一項很有意義的研究工作. 植物是自然界最常見的景觀之一，其種類繁多，形態(tài)萬千，具有復(fù)雜的形態(tài)特征. 對自然界的植物形態(tài)及生長發(fā)育進行建模，一方面對于探索植物生長過程的規(guī)律，深化對農(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、動畫制作、游戲開發(fā)等領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)用. 在過去的三十多年中，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)方法在實現(xiàn)各種植物構(gòu)造模型方面能力仍然有限，如真實感比較差，建模工作量大，同類植物缺乏個性；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，植物造型受到視點位置影響，需采集大量真實圖片；基于生物學(xué)機理與環(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)地對植物進行模擬. 但是由于生物本身的機理非常復(fù)雜，物種差異性較大，具體應(yīng)用和實施這種策略工作量很大. 可以說，到目前為止以植物為對象的建模方法遠未完善.

1 植物形態(tài)建模的研究現(xiàn)狀

以植物為研究對象的計算機模型可以有多種分類形式，其模型分類的依據(jù)常常因觀察問題的角度以及解決問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構(gòu)建不同的數(shù)學(xué)模型，力求模擬更真實的植物. 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)重于植物拓撲結(jié)構(gòu)的L-系統(tǒng)，并由Prusinkiewicz將其用于樹木及其他植物的造型；隨后，有學(xué)者對L-系統(tǒng)做出改進、拓展，提出了允許與環(huán)境因素交互的開放的L-系統(tǒng)——Open L-系統(tǒng)[4]；REEVES[5]提出了注重于模擬花、草、樹整體環(huán)境的粒子系統(tǒng)；AONO[6]建立了樹木的三維結(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、邊修正”的模擬樹木分步生長的模擬方法.

1.2基于植物圖像的建模方法

“基于圖像的造型(Image-based modeling)”[8]是指通過對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，完全自動地從圖像中分離出某自然景物的幾何和拓撲結(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木的枝干，而后進一步提取每一枝干的“骨架”，然后基于“骨架上的點為均勻分布”這一假設(shè)，構(gòu)造出對應(yīng)枝干上的對應(yīng)點，最后利用視覺的三維重建技術(shù)恢復(fù)枝干的三維造型.由于取材于真實的自然樹木，應(yīng)用這種方法得到的樹木造型具有較強的真實感；由于是基于圖像，因而造型方法與具體樹種無關(guān)，具有很強的獨立性和普適性；由于采用交互技術(shù)，造型過程變得簡單直觀，有著較強的實用性.

1.3基于生物學(xué)機理與環(huán)境控制的建模方法

基于生物學(xué)機理和環(huán)境控制的建模方法[9]將植物模擬的動態(tài)模型構(gòu)建為由3個模型和1個控制機組成，即幾何模型、生物模型、環(huán)境模型和模擬控制機.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；接收植物生長特性數(shù)據(jù)和植物運動特性數(shù)據(jù)用于建立生物模型. 隨后，在時間序列驅(qū)動下，模擬控制機構(gòu)計算形態(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算，從而得到植物生長過程某一時刻的三維結(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)機理及生長環(huán)境的控制，能夠更好地描述植物形態(tài)，達到了更精確、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)新性等特點的新型推理模型. 綜合推理的輸入是一個或多個綜合源及綜合要求，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，由用戶所期望表達的語義特征作為綜合要求. 結(jié)果模型在綜合要求的高層語義指導(dǎo)下，通過分解、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的語義特征，通過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)實例，再利用圖形接口將參數(shù)實例進行圖形輸出. 由于自然界存在的植物結(jié)構(gòu)多樣，對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，對建模的方法進行闡述.

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

(1)分析和抽取描述葉片形態(tài)的特征，作為用戶進行植物模擬時表達所期望的語義；

(2)給出葉片的幾何模型，實現(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)框架的實現(xiàn).本系統(tǒng)的設(shè)計框架，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的植物中差異性很大，但是對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，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)模擬實際上是一個葉片的幾何建模問題，通過對葉片形態(tài)結(jié)構(gòu)的分析和抽象，設(shè)計出能近似表示葉片真實形態(tài)的幾何模型，然后以計算機理解的形式化語言，實現(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，通過實驗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義推理的基礎(chǔ)，可用于自動生成符合用戶要求的模型參數(shù)實例. 構(gòu)建植物葉片領(lǐng)域本體目的是解決特征的語義推理問題，即經(jīng)過推理確定滿足輸入葉片特征語義要求的一組參數(shù)實例.

2.3.1 本體庫的詞典 建立植物領(lǐng)域本體庫，其目的主要是建立植物葉片模擬中所涉及到的各種實體和資源之間的關(guān)聯(lián)，通過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義推理的基礎(chǔ)，可用于自動生成符合用戶要求的模型參數(shù)實例.

葉片模型推理過程中會涉及到的植物學(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應(yīng)的幾何模型實體. 相關(guān)實體如下：

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 植物葉片本體對象的屬性可分為對象屬性和數(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).

對象屬性是用于規(guī)范本體庫中的實例，確定實例在哪些類中可以使用，而對象屬性的值是本體庫中的實例，如葉形為橢圓形的實例.

2.3.3 構(gòu)建實例庫 實例庫是系統(tǒng)提供給用戶檢索的實例的集合. 為本體庫預(yù)先定義好實例，可以用2種不同的實例生成方法：(1)計算機自動生成，根據(jù)數(shù)據(jù)屬性的約束條件，利用有關(guān)統(tǒng)計規(guī)律，如正態(tài)分布規(guī)律來隨機產(chǎn)生一組實例. (2)人工手動輸入，由本體開發(fā)人員預(yù)先輸入滿足某種特征語義的參數(shù)實例. 定義好的實例保存在實例庫中，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，在實例庫中檢索滿足條件的數(shù)據(jù)，進行輸出.

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，在葉片特征的實例庫中，檢索滿足用戶所期待的語義的實例，實現(xiàn)基于特征綜合推理的葉片形態(tài)模擬. 推理的過程是將人對植物特征的描述，轉(zhuǎn)換為計算機可以理解的邏輯條件，并實現(xiàn)計算機的自動推理輸出.葉片的形態(tài)一般由若干個參數(shù)的取值約束來確定.

2.4圖形接口的實現(xiàn)

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

(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：存儲生成的葉片圖形數(shù)據(jù)到外部存儲設(shè)備，如磁盤文件、數(shù)據(jù)庫等.

(3)圖形輸出：輸出有關(guān)的葉片圖形到顯示器、打印機等終端.

2.5實驗結(jié)果及分析

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

表2 葉片特征的實例選取

2.5.2 推理結(jié)果 對選取的葉片特征實例進行綜合推理，并將推理結(jié)果中滿足特征語義要求的第一組模型參數(shù)實例進行輸出，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)實例

2.5.3 參數(shù)實例的圖形輸出 將推理得到的模型參數(shù)進行圖形生成及輸出，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例進行實驗，基于文中給出的幾何模型和相關(guān)推理規(guī)則進行推理，得到了滿足葉形語義特征的一組幾何參數(shù)，并對推理的結(jié)果進行圖形輸出. 實驗的結(jié)果說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，其葉緣曲線也簡化為光滑曲線，使得圖形的真實感較差. 此外，研究的對象也僅限于植物的葉片，對植物其他部分的研究尚未涉及.

3 結(jié)論

近幾年來本體論和語義網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，為計算機圖形建模技術(shù)帶來了新的機遇. 特別是領(lǐng)域本體的發(fā)展，使得其它學(xué)科與計算機科學(xué)的交叉更為廣泛，同時也促進了其它學(xué)科的進一步發(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，建立本體庫和相應(yīng)的植物葉片模型，再通過植物葉片本體庫和推理規(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. 另外，基于本體和葉片模擬的幾何參數(shù)實例庫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.

本文探討了計算機圖形學(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. 本文的建模對象僅僅是高等植物的葉片，隨著研究的深入，建模的對象將擴展到整株植物.

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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，廣東揭陽人，華南師范大學(xué)2007級碩士研究生，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)院助理實驗師，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

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