Как моделируют рост деревьев: новая технология создания 3D-леса

Представьте, что вы можете вырастить виртуальный лес, где каждое дерево не просто картинка, а точная биологическая копия — со своим характером, формой и реакцией на мир вокруг. Исследователи из Университета Пердью сделали шаг к этому, создав модель, которая предсказывает, как дерево будет расти, исходя из его ДНК и условий среды. Это не только красивая картинка для игр, но и будущее настоящего, цифрового лесного хозяйства.

Математики и биологи бились над формулой идеального дерева десятилетиями. Порой казалось, что всё подчиняется изящным законам, вроде последовательности Фибоначчи. Но природа, как всегда, оказывалась сложнее любых схем. И общее решение так и оставалось недостижимой мечтой.

Да, некоторые закономерности в ветвлении есть. Но взгляните на это изображение: разве все деревья выглядят как геометрический учебник?

Как моделируют рост деревьев: новая технология создания 3D-леса

А главное — дерево не растет в вакууме. Одинокая сосна на скале и её сестра в густом бору — это два совершенно разных организма. Среда диктует форму так же властно, как и гены.

Группа ученых из Пердью вместе с коллегой из Германии продемонстрировала, как можно смоделировать этот бесконечно сложный процесс роста и формирования кроны. Они нашли способ заглянуть в самую суть.

Вся программа жизни дерева — его облик и стратегия выживания — записана в ДНК на субклеточном уровне. Команда под руководством Бедржиха Бенеша научилась считывать эту программу и «упаковывать» её в компактную нейросетевую модель размером всего в несколько мегабайт.

После обучения такая модель становится ядром, способным генерировать невероятно детализированную, гигабайтную геометрию целого дерева, ветку за веткой.

«Наши модели учатся на огромных массивах данных, чтобы воспроизводить развитие растений», — поясняет Бенеш. Это не рисование, а именно симуляция жизни.

От видеоигр до природного парка

До этого создание цифровых деревьев было невероятно трудоемким. Приходилось вручную прописывать кучу алгоритмов, учитывающих тысячи нелинейных факторов. Такие модели нужны архитекторам, градостроителям и, конечно, разработчикам игр, жаждущим максимального реализма.

Почти десять лет работы ушло у исследователей, чтобы с помощью методов глубокого обучения создать модели роста для клена, дуба, сосны, грецкого ореха и других пород — как с листвой, так и без.

«Как ни странно, трёхмерная графика до сих пор справлялась с чем угодно, кроме живой природы», — отмечает Бенеш.

«Создание реалистичной 3D-геометрии растений было открытой проблемой в компьютерной графике на протяжении десятилетий», — говорит он. Существующие методы были или слишком сложны, или слишком примитивны. А простого способа быстро создать множество правдоподобных деревьев просто не существовало. До сих пор.

Как оцифровать лес

Биологи, конечно, давно пытаются смоделировать рост деревьев. Они понимают, как растение взаимодействует со светом, влагой, соседями. Эти сложные танцы зависят от генетической «прошивки»: скажем, угол ветвления у сосны заложен иной, чем у дуба. Но среда может так изменить облик, что два генетически идентичных дуба, выросшие в лесу и в поле, станут похожи лишь отдаленно.

Новые модели обобщают поведение десятков тысяч реальных деревьев, закодированное в обучающих данных. А потом исследователи проверяют: а похоже ли цифровое творение на живой оригинал?

Главная сложность, признаются ученые, в недостатке данных. Не хватает подробных трехмерных сканов реальных деревьев на всех стадиях жизни. «Нам пришлось самим генерировать данные для обучения. Поэтому наши модели пока имитируют не саму природу, а алгоритмы, описывающие её развитие», — уточняет Бенеш.

Но представьте, какое будущее он описывает: «Вы достаете телефон, фотографируете дерево в парке и мгновенно получаете его точную 3D-модель. Её можно рассмотреть со всех сторон, увеличить, уменьшить. Это и есть суть цифрового лесного хозяйства — иметь точную цифровую копию живого леса». Звучит как магия, но наука постепенно превращает её в инструмент.