Modeling dendritic shapes - using path planning

Dendritic shapes are commonplace in the natural world such as trees, lichens, coral and lightning. Models of dendritic shapes are widely needed in many areas. Because of their branching fractal and erratic structures modeling dendritic shapes is a tricky task. Existing methods for modeling dendritic shapes are slow and complicated.In this thesis we present a procedural algorithm of using path planning to model dendritic shapes. We generate a dendrite by finding the least-cost paths from multiple endpoints to a common generator and use the dendrite to build the geometric model. With the control handles of endpoint placement, fractal shape, edge weights distribution and path width, we create different shapes of dendrites that simulate different kinds of dendritic shapes very well. Compared with some existing methods, our algorithm is fast and simple

L-systeemeistä.

Tässä työssä käsitellään alunperin biologista mallintamista varten kehitettyjä L-systeemejä. Työssä annetaan tärkeimpien L-systeemityyppien määritelmät ja suhteutetaan ne Chomskyn kielihierarkiaan. Lisäksi työssä käsitellään L-systeemejä sovellettuna erityisesti puumaisten haarautuvien rakenteiden mallintamiseen. Myös joitakin muita tyypillisiä L-systeemien sovellusalueita käsitellään lyhyesti. Lisäksi työn lopuksi annetaan itsekehitetty esimerkki L-systeemien soveltamisesta koirien rodunjalostukseen. Avainsanat ja -sanonnat: L-systeemit, L-hierarkia, päätösongelmat, merkkijonojen tulkinta, biologinen mallintaminen

Branching Boogaloo: Botanical Adventures in Multi-Mediated Morphologies

FormaLeaf is a software interface for exploring leaf morphology using parallel string rewriting grammars called L-systems. Scanned images of dicotyledonous angiosperm leaves removed from plants around Bard’s campus are displayed on the left and analyzed using the computer vision library OpenCV. Morphometrical information and terminological labels are reported in a side-panel. “Slider mode” allows the user to control the structural template and growth parameters of the generated L-system leaf displayed on the right. “Vision mode” shows the input and generated leaves as the computer ‘sees’ them. “Search mode” attempts to automatically produce a formally defined graphical representation of the input by evaluating the visual similarity of a generated pool of candidate leaves. The system seeks to derive a possible internal structural configuration for venation based purely off a visual analysis of external shape. The iterations of the generated L-system leaves when viewed in succession appear as a hypothetical development sequence. FormaLeaf was written in Processing

Procedural Modeling and Constrained Morphing of Leaves

Ph.DDOCTOR OF PHILOSOPH

An Adjectival Interface for procedural content generation

Includes abstract.Includes bibliographical references.In this thesis, a new interface for the generation of procedural content is proposed, in which the user describes the content that they wish to create by using adjectives. Procedural models are typically controlled by complex parameters and often require expert technical knowledge. Since people communicate with each other using language, an adjectival interface to the creation of procedural content is a natural step towards addressing the needs of non-technical and non-expert users. The key problem addressed is that of establishing a mapping between adjectival descriptors, and the parameters employed by procedural models. We show how this can be represented as a mapping between two multi-dimensional spaces, adjective space and parameter space, and approximate the mapping by applying novel function approximation techniques to points of correspondence between the two spaces. These corresponding point pairs are established through a training phase, in which random procedural content is generated and then described, allowing one to map from parameter space to adjective space. Since we ultimately seek a means of mapping from adjective space to parameter space, particle swarm optimisation is employed to select a point in parameter space that best matches any given point in adjective space. The overall result, is a system in which the user can specify adjectives that are then used to create appropriate procedural content, by mapping the adjectives to a suitable set of procedural parameters and employing the standard procedural technique using those parameters as inputs. In this way, none of the control offered by procedural modelling is sacrificed â although the adjectival interface is simpler, it can at any point be stripped away to reveal the standard procedural model and give users access to the full set of procedural parameters. As such, the adjectival interface can be used for rapid prototyping to create an approximation of the content desired, after which the procedural parameters can be used to fine-tune the result. The adjectival interface also serves as a means of intermediate bridging, affording users a more comfortable interface until they are fully conversant with the technicalities of the underlying procedural parameters. Finally, the adjectival interface is compared and contrasted to an interface that allows for direct specification of the procedural parameters. Through user experiments, it is found that the adjectival interface presented in this thesis is not only easier to use and understand, but also that it produces content which more accurately reflects usersâ intentions

Improving Usability in Procedural Modeling

This work presents new approaches and algorithms for procedural modeling geared towards user convenience and improving usability, in order to increase artists’ productivity. Procedural models create geometry for 3D models from sets of rules. Existing approaches that allow to model trees, buildings, and terrain are reviewed and possible improvements are discussed. A new visual programming language for procedural modeling is discussed, where the user connects operators to visual programs called model graphs. These operators create geometry with textures, assign or evaluate variables or control the sequence of operations. When the user moves control points using the mouse in 3D space, the model graph is executed to change the geometry interactively. Thus, model graphs combine the creativity of freehand modeling with the power of programmed modeling while displaying the program structure more clearly than textbased approaches. Usability is increased as a result of these advantages. Also, an interactive editor for botanical trees is demonstrated. In contrast to previous tree modeling systems, we propose linking rules, parameters and geometry to semantic entities. This has the advantage that problems of associating parameters and instances are completely avoided. When an entity is clicked in the viewport, its parameters are displayed immediately, changes are applied to selected entities, and viewport editing operations are reflected in the parameter set. Furthermore, we store the entities in a hierarchical data structure and allow the user to activate recursive traversal via selection options for all editing operations. The user may choose to apply viewport or parameter changes to a single entity or many entities at once, and only the geometry for the affected entities needs to be updated. The proposed user interface simplifies the modeling process and increases productivity. Interactive editing approaches for 3D models often allow more precise control over a model than a global set of parameters that is used to generate a shape. However, usually scripted procedural modeling generates shapes directly from a fixed set of parameters, and interactive editing mostly uses a fixed set of tools. We propose to use scripts not only to generate models, but also for manipulating the models. A base script would set up the state of an object, and tool scripts would modify that state. The base script and the tool scripts generate geometry when necessary. Together, such a collection of scripts forms a template, and templates can be created for various types of objects. We examine how templates simplify the procedural modeling workflow by allowing for editing operations that are context-sensitive, flexible and powerful at the same time. Many algorithms have been published that produce geometry for fictional landscapes. There are algorithms which produce terrain with minimal setup time, allowing to adapt the level of detail as the user zooms into the landscape. However, these approaches lack plausible river networks, and algorithms that create eroded terrain with river networks require a user to supervise creation and minutes or hours of computation. In contrast to that, this work demonstrates an algorithm that creates terrain with plausible river networks and adaptive level of detail with no more than a few seconds of preprocessing. While the system can be configured using parameters, this text focuses on the algorithm that produces the rivers. However, integrating more tools for user-controlled editing of terrain would be possible.Verbesserung der Usability bei prozeduraler Modellierung Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, prozedurale Modellierung durch neue neue Ansätze und Algorithmen einfacher, bequemer und anwendungsfreundlicher zu machen, und damit die Produktivität der Künstler zu erhöhen. Diese Anforderungen werden häufig unter dem Stichwort Usability zusammengefasst. Prozedurale Modelle spezifizieren 3D-Modelle über Regeln. Existierende Ansätze für Bäume, Gebäude und Terrain werden untersucht und es werden mögliche Verbesserungen diskutiert. Eine neue visuelle Programmiersprache für prozedurale Modelle wird vorgestellt, bei der Operatoren zu Modellgraphen verschaltet werden. Die Operatoren erzeugen texturierte Geometrie, weisen Variablen zu und werten sie aus, oder sie steuern den Ablauf der Operationen. Wenn der Benutzer Kontrollpunkte im Viewport mit der Maus verschiebt, wird der Modellgraph ausgeführt, um interaktiv neue Geometrie für das Modell zu erzeugen. Modellgraphen kombinieren die kreativen Möglichkeiten des freihändigen Editierens mit der Mächtigkeit der prozeduralen Modellierung. Darüber hinaus sind Modellgraphen eine visuelle Programmiersprache und stellen die Struktur der Algorithmen deutlicher dar als textbasierte Programmiersprachen. Als Resultat dieser Verbesserungen erhöht sich die Usability. Ein interaktiver Editor für botanische Bäume wird ebenfalls vorgestellt. Im Gegensatz zu früheren Ansätzen schlagen wir vor, Regeln, Parameter und Geometrie zu semantischen Entitäten zu verschmelzen. Auf diese Weise werden Zuordnungsprobleme zwischen Parametern und deren Instanzen komplett vermieden. Wenn im Viewport eine Instanz angeklickt wird, werden sofort ihre Parameter angezeigt, alle Änderungen wirken sich direkt auf die betroffenen Instanzen aus, und Änderungen im Viewport werden sofort in den Parametern reflektiert. Darüber hinaus werden die Entitäten in einer hierarchischen Datenstruktur gespeichert und alle Änderungen können rekursiv auf der Hierarchie ausgeführt werden. Dem Benutzer werden Selektionsoptionen zur Verfügung gestellt, über die er Änderungen an den Parametern oder Änderungen im Viewport an einzelnen oder vielen Instanzen gleichzeitig vornehmen kann. Anschließend muss das System nur die Geometrie der betroffenen Instanzen aktualisieren. Auch hier ist das Ziel, das User Interface möglichst an den Bedürfnissen des Benutzers auszurichten, um Vereinfachungen und eine Erhöhung der Produktivität zu erreichen. Interaktive Editieransätze für 3D-Modelle erlauben häufig eine präzisere Kontrolle über ein Modell als ein globaler Parametersatz, der für die Erzeugung des Modells genutzt wird. Trotzdem erzeugen prozedurale Modellierskripte ihre Modelle meist direkt aus einem festen Parametersatz, während interaktive Tools meist mit hartkodierten Operationen arbeiten. Wir schlagen vor, Skripte nicht nur zur Erzeugung der Modelle zu verwenden, sondern auch um die erzeugten Modelle zu editieren. Ein Basisskript soll die Statusinformationen eines Objekts anlegen, während weitere Skripte diesen Status verändern und passende Geometrie erzeugen. Diese Skripte bilden dann ein Template zum Erzeugen einer Klasse von Objekten. Verschiedene Objekttypen können jeweils ihr eigenes Template haben. Wir zeigen, wie Templates den Workflow mit prozeduralen Modellen vereinfachen können, indem Operationen geschaffen werden, die gleichzeitig kontext-sensitiv, mächtig und flexibel sind. Es existiert eine Reihe von Verfahren, um Geometrie für synthetische Landschaften zu erzeugen. Ein Teil der Algorithmen erzeugt Geometrie mit minimaler Vorberechnung und erlaubt es, den Detailgrad der Landschaft interaktiv an die Perspektive anzupassen. Leider fehlen den so erzeugten Landschaften plausible Flussnetze. Algorithmen, die erodiertes Terrain mit Flussnetzen erzeugen, müssen aufwendig vom Benutzer überwacht werden und brauchen Minuten oder Stunden Rechenzeit. Im Gegensatz dazu stellen wir einen Algorithmus vor, der plausible Flussnetze erzeugt, während sich der Betrachter interaktiv durch die Szene bewegt. Das System kann über Parameter gesteuert werden, aber der Fokus liegt auf dem Algorithmus zur Erzeugung der Flüsse. Dennoch wäre es möglich, Tools zum benutzergesteuerten Editieren von Terrain zu integrieren

Identification de motifs au sein des structures biologiques arborescentes

Avec l explosion de la quantité de données biologiques disponible, développer de nouvelles méthodes de traitements efficaces est une problématique majeure en bioinformatique. De nombreuses structures biologiques sont modélisées par des structures arborescentes telles que les structures secondaires d ARN et l architecture des plantes. Ces structures contiennent des motifs répétés au sein même de leur structure mais également d une structure à l autre. Nous proposons d exploiter cette propriété fondamentale afin d améliorer le stockage et le traitement de tels objets.En nous inspirant du principe de filtres sur les séquences, nous définissons dans cette thèse une méthode de filtrage sur les arborescences ordonnées permettant de rechercher efficacement dans une base de données un ensemble d arborescences ordonnées proches d une arborescence requête. La méthode se base sur un découpage de l arborescence en graines et sur une recherche de graines communes entre les structures. Nous définissons et résolvons le problème de chainage maximum sur des arborescences. Nous proposons dans le cas des structures secondaires d ARN une définition de graines (l d) centrées.Dans un second temps, en nous basant sur des techniques d instanciations utilisées, par exemple, en infographie et sur la connaissance des propriétés de redondances au sein des structures biologiques, nous présentons une méthode de compression permettant de réduire l espace mémoire nécessaire pour le stockage d arborescences non-ordonnées. Après une détermination des redondances nous utilisons une structure de données plus compacte pour représenter notamment l architecture de la plante, celle-ci pouvant contenir des informations topologiques mais également géométriques.The explosion of available biological data urges the need for bioinformatics methods. Manybiological structures are modeled by tree structures such as RNA secondary structure and plantsarchitecture. These structures contain repeating units within their structure, but also betweendifferent structures. We propose to exploit this fundamental property to improve storage andtreatment of such objects.Following the principle of sequence filtering, we define a filtering method on ordered treesto efficiently retrieve in a database a set of ordered trees close from a query. The method isbased on a decomposition of the tree into seeds and the detection of shared seeds between thesestructures. We define and solve the maximum chaining problem on trees. We propose for RNAsecondary structure applications a definition of (l d) centered seed.Based on instantiation techniques used for instance in computer graphics and the repetitivenessof biological structures, we present a compression method which reduces the memoryspace required for plant architecture storage. A more compact data structure is used in order torepresent plant architecture. The construction of this data structure require the identification ofinternal redundancies and taking into account both topological and geometrical informations.BORDEAUX1-Bib.electronique (335229901) / SudocSudocFranceF

An artificial development model for cell pattern generation

La formation de structures cellulaires a un rôle crucial dans le développement tant artificiel que naturel. Cette thèse présente un modèle de développement artificiel pour la génération de structures cellulaires basé sur le paradigme des automates cellulaires (AC). La croissance cellulaire est contrôlée par un génome comportant un réseau de régulation artificiel (RRA) et une série de gènes structurels. Ce génome a subi une évolution par algorithme génétique (AG) afin de produire des structures cellulaires en 2D grâce à l'activation et inhibition sélective des gènes. De plus des gradients morphogénétiques ont été utilisés pour fournir aux cellules une information de position permettant de contraindre leur reproduction. Après évolution d'un génome par algorithme génétique, une cellule unique est placée au milieu de la grille de l’AC où sa reproduction, contrôlée par le RRA, produit une structure cellulaire cible. Le modèle a été appliqué avec succès au problème classique de génération de la structure d’un drapeau français (French flag problem).Cell pattern formation has a crucial role in both artificial and natural development. This thesis presents an artificial development model for cell pattern generation based on the cellular automata (CA) paradigm. Cellular growth is controlled by a genome consisting of an artificial regulatory network (ARN) and a series of structural genes. The genome was evolved by a genetic algorithm (GA) in order to produce 2D cell patterns through the selective activation and inhibition of genes. Morphogenetic gradients were used to provide cells with positional information that constrained cellular replication. After a genome was evolved, a single cell in the middle of the CA lattice was allowed to reproduce controlled by the ARN until a cell pattern was formed. The model was applied to the canonical problem of growing a French flag pattern.