[發(fā)明專利]一種基于粒子群的虛擬植物生長模型參數(shù)提取方法

在審

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• 申請日: 2020-03-10
• 公開（公告）號: CN111523187A
• 公開（公告）日: 2020-08-11
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 丁維龍;辛衛(wèi)濤;徐利鋒;趙櫻莉
• 申請（專利權(quán)）人: 浙江工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: G06F30/18
• 分類號: G06F30/18;G06F30/25;G06T17/00
• 代理公司: 杭州斯可睿專利事務(wù)所有限公司 33241
• 代理人: 王利強

1.一種基于粒子群的虛擬植物生長模型參數(shù)提取方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟：

1)結(jié)合植物的拓撲結(jié)構(gòu)，設(shè)定了8個通用參數(shù)；

2)設(shè)置候選解個數(shù)，在參數(shù)空間均勻初始化每組解；

3)構(gòu)建基于拓撲結(jié)構(gòu)的單軸和合軸植物的描述框架，利用計算機圖形學(xué)生成每組參數(shù)對應(yīng)的植物的三維結(jié)構(gòu)，計算該模型與輸入模型之間的相似度；

4)采用粒子群優(yōu)化算法對候選參數(shù)進行不斷改進，選取改進之后最優(yōu)的一組參數(shù)作為提取結(jié)果；

5)對其進行圖形化，完成給定輸入模型的三維重建。

2.如權(quán)利要求1所述的一種基于粒子群的虛擬植物生長模型參數(shù)提取方法，其特征在于：所述步驟1)中，設(shè)定參數(shù)的過程為：設(shè)定一級側(cè)枝的高度系數(shù)zr、主軸的節(jié)間長度系數(shù)xr、一級側(cè)枝的節(jié)間長度系數(shù)yr、擴散角d、一級分枝角alpha、二級分枝角beta、伸長率lr和加寬率vr，參數(shù)空間中的解x表示為：

x＝(zr,xr,yr,d,alpha,beta,lr,vr)^T。

3.如權(quán)利要求1或2所述的一種基于粒子群的虛擬植物生長模型參數(shù)提取方法，其特征在于：所述步驟2)包括以下步驟：

(2.1)候選解個數(shù)設(shè)為n，解的維度為D，單個維度上的最大值為X_max，最小值為X_min，粒子間距為X_step，滿足：

由此得到粒子間距X_step:

(2.2)單個維度上的值x取得的值為：

單個維度上x依次取到以上值可以實現(xiàn)均勻初始化。

4.如權(quán)利要求1或2所述的一種基于粒子群的虛擬植物生長模型參數(shù)提取方法，其特征在于：所述步驟3)包括以下步驟：

(3.1)針對單軸和合軸植物，構(gòu)建基于拓撲結(jié)構(gòu)的描述框架，使用以上8個參數(shù)，控制目標(biāo)植物的拓撲結(jié)構(gòu)形態(tài)；

(3.2)將描述框架結(jié)合參數(shù)轉(zhuǎn)換為L系統(tǒng)；

(3.3)利用計算機圖形學(xué)，將L系統(tǒng)渲染為三維植物模型；

(3.4)根據(jù)植物形態(tài)相似度計算方法，計算生成模型與輸入模型之間的相似度作為每組解的適應(yīng)度值：

fit＝S(T,T₀)

其中，S(T,T₀)為植物形態(tài)相似度。

5.如權(quán)利要求4所述的一種基于粒子群的虛擬植物生長模型參數(shù)提取方法，其特征在于：所述步驟4)的過程為：根據(jù)步驟(3.4)計算得出每組解的適應(yīng)度值，采用粒子群算法對候選解進行更新，經(jīng)過多次更新之后，選取候選解中適應(yīng)度值最優(yōu)的一個解作為參數(shù)提取結(jié)果。

6.如權(quán)利要求4所述的一種基于粒子群的虛擬植物生長模型參數(shù)提取方法，其特征在于：所述步驟5)的過程為：將提取得到的參數(shù)結(jié)合步驟(3.2)轉(zhuǎn)換成L系統(tǒng)，利用計算機圖形學(xué)渲染出三維植物模型。

7.如權(quán)利要求2所述的一種基于粒子群的虛擬植物生長模型參數(shù)提取方法，其特征在于：所述步驟(2.1)中，候選解個數(shù)設(shè)為n，包括如下步驟：

(2.1.1)n的計算由單個維度上劃分的數(shù)量t決定，由于t為整數(shù)，則n計算為：

n＝(t+1)^D。

8.如權(quán)利要求4所述的一種基于粒子群的虛擬植物生長模型參數(shù)提取方法，其特征在于：所述步驟(3.1)中，針對單軸和合軸植物，構(gòu)建基于拓撲結(jié)構(gòu)的描述框架包括如下步驟：

(3.1.1)單軸植物描述框架定義為：

其中，T表示整株植物，Z表示第一個一級分枝高度以下的主軸部分，A、B、C分別主軸、第一級分枝、第二及更小級分枝，X和Y分別表示主軸和第一級分枝的節(jié)間，E表示分枝的頂芽；

(3.1.2)合軸植物描述框架定義為：

類似地，T和Z與單軸植物相同，B、C、D分別表示第一級分枝、第二級分枝、第三及更小級分枝，X和Y分別表示第一級分枝和第二級分枝的節(jié)間。

9.如權(quán)利要求4所述的一種基于粒子群的虛擬植物生長模型參數(shù)提取方法，其特征在于：所述步驟(3.2)中，將描述框架結(jié)合參數(shù)轉(zhuǎn)換為L系統(tǒng)包括如下步驟：

(3.2.1)單軸植物表示為：

其中，T表示整株植物，Z表示第一個一級分枝高度以下的主軸部分，A、B、C分別主軸、第一級分枝、第二及更小級分枝，X和Y分別表示主軸和第一級分枝的節(jié)間，E表示分枝的頂芽，ω為初始狀態(tài)串，[、]分別代表枝條繪制的開始與結(jié)束，！表示以加寬率vr縮小枝條直徑，/表示向右轉(zhuǎn)，表示向下轉(zhuǎn)，F(xiàn)為繪制線段，在其余參數(shù)中，zr為一級側(cè)枝的高度系數(shù)、xr為主軸的節(jié)間長度系數(shù)、yr為一級側(cè)枝的節(jié)間長度系數(shù)、d為擴散角、alpha為一級分枝角、beta為二級分枝角、lr為伸長率、vr為加寬率；

(3.2.2)合軸植物表示為：

其中，T和Z與單軸植物相同，B、C、D分別表示第一級分枝、第二級分枝、第三及更小級分枝，X和Y分別表示第一級分枝和第二級分枝的節(jié)間ω為初始狀態(tài)串，[、]分別代表枝條繪制的開始與結(jié)束，！表示以加寬率vr縮小枝條直徑，/表示向右轉(zhuǎn)，表示向下轉(zhuǎn)，F(xiàn)為繪制線段，zr為一級側(cè)枝的高度系數(shù)、xr為主軸的節(jié)間長度系數(shù)、yr為一級側(cè)枝的節(jié)間長度系數(shù)、d為擴散角、alpha為一級分枝角、beta為二級分枝角、lr為伸長率、vr為加寬率。