虚拟植物一直是计算机图形领域的重要研究课题,它不仅在现代农林生态和景观绿化研究中有重要的作用,而且在农业、教育、娱乐、商业等领域也具有重大的应用价值。近年来,随着国家对数字农业的投入越来越大,作为虚拟植物建模的主要方法之一的L系统方法则早已受到学者的重视。但目前其产生式多是通过手工方式获得,存在诸多缺点,比如效率低,无法估计最终产生的图形等。手工获得L系统规则的方式已经不能满足需要,因此,研究L系统产生式的自动获取技术,特别是对指定植株的L系统产生式规则的自动获取,已成为一个重要的课题。本文结合国家自然科学基金项目,以L系统和遗传算法的结合为主线,深入研究了模拟指定植物的三维L系统产生式规则自动获取方法。主要研究工作如下:1.针对三维树状图形分枝、节点众多的特点,提出一种三维树状图形相似度的计算方法。从轮廓相似度、拓扑相似度、内部空间相似度三方面,对树状图形的相似度进行了考察。首先以旋转抛物面对树状图形的外围轮廓进行近似,以抛物面代替图形轮廓进行相似度计算;然后记录树状图形中每个节点分枝个数,以反映节点间的拓扑关系,进而获取其拓扑相似度;再通过计算基于拓扑关系的最小空间距离的方法获得内部空间相似度;最后通过修正系数综合轮廓、拓扑、内部空间三方面的相似度以获得两图形的综合相似度。2.针对L系统产生式规则的结构特点,设计了双子结构且长度可变的编码方案。染色体的两条子染色体不要求等长,其中一条子染色体编码括号字符串及其位置,另一条编码除括号外的字符。染色体中的基因是符号编码,每个整数对应L系统字符表中一个字符。3.提出以基准产生式生成方式和随机生成方式相结合的种群初始化方法。此方法以植物形态结构分类为依据,利用已知的L系统产生式规则,获得高质量的个体,同时利用随机个体保持种群的多样性。4.基于双子结构编码特点,提出了交叉、变异等遗传操作。对字符串子染色体和括号子染色体分别赋予不同的变异概率,并分类进行交叉、变异操作。这种方式既保持种群多样性也实现了对变异过程更精细的操作。5.设计并实现了基于遗传算法的植物L系统规则自动获取与重绘系统。该系统能够根据用户导入的真实植物的数据,自动获取到与该植物结构相近的L系统产生式规则,绘制虚拟植物模型,渲染出对应的模型。