虚拟植物(virtual plants)生长是指在计算机上形象直观的再现植物的生长过程,它是利用虚拟现实(virtual reality)技术在计算机上以植物个体为对象模拟植物在三维空间中的生长发育过程,具有三维效果和可视化的功能:生成的植物既可以反映现实植物的形态结构,又是植物生理生态过程和形态结构变化过程共同作用下的结果描述。植物是自然界中最常见的物体,与我们的日常生活密切相关,研究虚拟植物生长有着重要的实用价值。虚拟植物生长主要的研究方向有两个:一是单纯的植物外观形态模拟,注重视觉效果的真实性;二是对真实植物生长过程的模拟,注重符合植物学理论的真实性。 随着计算机图形技术的发展和日趋成熟,在以商业、教育、娱乐、园林设计等为应用背景、以视觉效果为目的的虚拟植物领域得到了迅速的发展,以AMAP、Xfrog为代表的植物形态模拟软件,它们模拟的植物色彩艳丽、效果逼真,代表了当今最先进的植物形态建模方法所取得了丰硕成果。然而在农林业应用领域,忠实于植物学的虚拟植物生长研究还远远没有达到实用阶段,这是因为植物形态建模目前还有很大的发展空间,仍是人们当前研究的重点;另外人们对植物生命体的认识不够全面,现有的植物生理生态模型远未完善,虚拟植物是植物学、农学、生态学、数学、计算机图形学等诸多学科交叉融合的研究领域,涉及面广而复杂、内容交织,一种或几种模型都不足以完整描述哪怕一种单一植物物种的生长和需求等状况,这使得农林业应用领域的虚拟植物研究进展缓慢。 本文探讨的虚拟植物内容就属于农林业应用领域,农林业应用的虚拟植物生长是通过模拟真实植物生长指导农林业生产为目的,它不同于单纯注重视觉效果的植物外观形态模拟,必须忠实于植物学理论、必须要有准确、可靠的植物生长科学依据。要客观地模拟真实植物的生长过程,使虚拟植物有效服务于农林业,就必须将真实反映植物生长机理的生理生态模型与形态发生模型进行结合。本文先对比分析了著名植物实体建模方法:迭代函数系统和L系统,并在文中采用L系统来模拟植物生长过程,然后在众多的农业模型中寻找到合适于描述动态植物生长的农业模型——作物生长动态模型,它能与植物形态发生模型较好的融合,通过气温、日照等环境因素来控制对植物生长的模拟。它们的结合使虚拟植物的生长有了更准确、更可靠的科学依据,能有效的服务于农林业。本文提出了将作物生长动态模型应用于虚拟植物生长的方法,并对关键性实现算法做了详细描述。同时本文简单讨论了虚拟植物生长过程中枝条之间的碰撞检测、植物向光性生长的模拟、树叶颜色随季节的变化、枝干纹理的生成、自然场景的绘制等,这些都是虚拟植物生长过程中亟待解决的问题,还有大量的工作要做。计算机图形学中的植物形态发生模型是研究虚拟植物生长的基础,而准确、可靠的农业模型是虚拟植物生长的科学依据。只有双方紧密结合才是真正意义上的虚拟植物生长。这是一个新兴的、很有挑战性的研究领域。