作物形態(tài)結(jié)構(gòu)的可視化技術(shù)研究.pdf

1、虛擬作物以作物器官、個(gè)體或群體的形態(tài)結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，在計(jì)算機(jī)上以可視化方式模擬作物在三維空間中的形態(tài)結(jié)構(gòu)變化規(guī)律及生長(zhǎng)發(fā)育過程，是對(duì)作物生長(zhǎng)模擬的進(jìn)一步深化和拓展，在農(nóng)學(xué)研究和教學(xué)、作物生長(zhǎng)設(shè)計(jì)和管理調(diào)控等領(lǐng)域具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和廣泛的應(yīng)用前景。本研究的目的是融合作物學(xué)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、虛擬現(xiàn)實(shí)等多學(xué)科的理論與技術(shù)，以小麥、水稻作物為對(duì)象，基于作物形態(tài)建成模擬模型，研究作物形態(tài)建模、真實(shí)感繪制、器官變形模擬、作物個(gè)體和群體冠層三維重建及作

2、物可視化中的器官碰撞檢測(cè)與響應(yīng)等關(guān)鍵技術(shù)，進(jìn)而建立基于模型耦合的作物生長(zhǎng)可視化系統(tǒng)，為進(jìn)一步構(gòu)建基于模型的數(shù)字作物系統(tǒng)奠定技術(shù)基礎(chǔ)。
　　 首先，將參數(shù)化幾何建模方法應(yīng)用于作物器官形態(tài)建模，通過對(duì)稻麥作物器官形態(tài)建成過程中關(guān)鍵特征的觀測(cè)分析，利用三維幾何建模技術(shù)，構(gòu)建了基于形態(tài)特征參數(shù)的作物器官幾何模型，包括葉片、葉鞘、莖稈、麥穗和稻穗幾何模型。用NURBS(Non-Uniform Rational B-Spline)曲面分別對(duì)

3、葉片和葉鞘建模，并用圓柱體模擬莖稈的節(jié)間。采用組合單器官的方式來構(gòu)建麥穗模型：用圓柱體模擬穗軸，用橢球體和圓柱體分別模擬小穗的籽粒及小穗枝梗。用Bezier曲線來擬合稻穗曲線，將二維空間的穗曲線映射到三維空間，構(gòu)建穗軸幾何模型；用一段穗軸及圓柱體模擬一次枝梗和二次枝梗，并分別用橢球體及圓柱體模擬小穗的谷粒及小枝梗，進(jìn)一步形成具有拓?fù)潢P(guān)系的稻穗幾何模型。將葉長(zhǎng)、葉寬、莖葉夾角、葉鞘長(zhǎng)、節(jié)間長(zhǎng)、節(jié)間粗、穗長(zhǎng)、穗傾角等設(shè)為作物器官幾何模型的基

4、本參數(shù)，能較好地描述作物器官形態(tài)建成過程，參數(shù)的生物學(xué)意義明確，且容易與作物形態(tài)建成過程模型相耦合，為實(shí)現(xiàn)作物虛擬生長(zhǎng)奠定了基礎(chǔ)。
　　 以作物器官幾何模型為基礎(chǔ)，結(jié)合紋理映射、顏色渲染、光照處理等真實(shí)感圖形顯示技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了具有較強(qiáng)真實(shí)感的作物器官圖形顯示。并進(jìn)一步針對(duì)作物器官的變形問題，嘗試將骨架驅(qū)動(dòng)物體變形的方法應(yīng)用于作物器官的局部變形，對(duì)葉片的彎曲、扭曲等變形問題做了初步的探討，提出了一種骨架驅(qū)動(dòng)的葉片變形方法。該方法首先

5、生成葉片骨架模型，包括主脈骨架和若干條垂直于主脈骨架的橫向骨架；然后驅(qū)動(dòng)骨架模型發(fā)生變形，并根據(jù)變形后的葉片骨架將變形操作應(yīng)用到葉片曲面上，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)葉片曲面變形。最后，應(yīng)用骨架驅(qū)動(dòng)的葉片變形方法，分別對(duì)小麥葉片曲面進(jìn)行彎曲和扭曲變形模擬。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于骨架驅(qū)動(dòng)的作物葉片形變方法能靈活控制葉片彎曲和扭曲程度，從而獲得自然的葉片曲面變形效果。
　　 針對(duì)現(xiàn)有植物生長(zhǎng)建模方法難以應(yīng)用于作物可視化的問題，提出了一種利用樹形結(jié)構(gòu)將作物

6、器官可視化模型與作物形態(tài)建成模擬模型有機(jī)結(jié)合，顯示作物個(gè)體生長(zhǎng)過程的方法。該方法首先基于作物個(gè)體生長(zhǎng)的基本規(guī)律，利用作物形態(tài)建成模擬模型的輸出參數(shù)建立能描述作物生長(zhǎng)信息（包括器官幾何結(jié)構(gòu)信息和植株生長(zhǎng)拓?fù)涮卣鳎┑淖魑飿洌蝗缓蟀瓷L(zhǎng)發(fā)育的時(shí)間序列層次遍歷作物樹，獲得作物生長(zhǎng)的相關(guān)信息，并基于器官可視化模型，實(shí)現(xiàn)作物個(gè)體生長(zhǎng)的可視化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所形成的可視化方法能較準(zhǔn)確表現(xiàn)作物生長(zhǎng)過程中的器官幾何信息和拓?fù)涮卣?，較真實(shí)地反映作物形態(tài)的動(dòng)

7、態(tài)生長(zhǎng)過程，為實(shí)現(xiàn)作物群體生長(zhǎng)的可視化提供了關(guān)鍵技術(shù)。
　　 提出了一種基于網(wǎng)格簡(jiǎn)化技術(shù)和細(xì)節(jié)層次技術(shù)實(shí)現(xiàn)作物群體生長(zhǎng)實(shí)時(shí)繪制的方法。首先根據(jù)作物群體形態(tài)建成規(guī)律及群體生長(zhǎng)過程中個(gè)體之間的差異，將網(wǎng)格簡(jiǎn)化技術(shù)與基于視點(diǎn)的細(xì)節(jié)層次控制技術(shù)相結(jié)合，根據(jù)作物器官幾何模型的構(gòu)建方法生成不同細(xì)節(jié)層次的作物個(gè)體模型；然后利用作物群體形態(tài)特性，根據(jù)視角和視距來指導(dǎo)空間的剖分以及細(xì)節(jié)層次的選擇，分別調(diào)用具有不同細(xì)節(jié)的模型參與群體的生成，建立基于

8、多細(xì)節(jié)層次模型的作物群體顯示算法；最后在作物個(gè)體生長(zhǎng)可視化的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)作物群體的實(shí)時(shí)繪制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，提出的群體可視化技術(shù)能較準(zhǔn)確表現(xiàn)作物生長(zhǎng)過程中的群體形態(tài)特征，具有較好的真實(shí)感和實(shí)時(shí)性，為進(jìn)一步建立虛擬作物系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。
　　 將碰撞檢測(cè)與響應(yīng)技術(shù)引入作物可視化生長(zhǎng)模擬，針對(duì)以NURBS曲面表示的作物葉片，提出了一種基于曲面分割技術(shù)及混合層次包圍盒樹實(shí)現(xiàn)作物葉片間碰撞檢測(cè)的方法。該方法首先采用節(jié)點(diǎn)插入技術(shù)對(duì)葉片曲面進(jìn)行

9、分割，然后兼顧碰撞檢測(cè)的速度與精度，為分割后的葉片曲面建立軸向包圍盒AABB(Axis-Aligned Bounding Box)與固定方向凸包FDH(Fixed Direction Hull)混合層次包圍盒樹。根結(jié)點(diǎn)采用AABB包圍盒，以快速排除不可能相交的葉片，其它層結(jié)點(diǎn)采用FDH包圍盒，以保證精確的判定距離較近的葉片間碰撞狀態(tài)，并基于混合層次包圍盒樹，設(shè)計(jì)了碰撞檢測(cè)算法。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)不同的葉片間碰撞情況，根據(jù)作物葉片形態(tài)變化規(guī)

10、律，提出了較合理有效的沖突響應(yīng)機(jī)制。實(shí)例分析表明，所建立的算法可有效地應(yīng)用于作物群體可視化生長(zhǎng)的仿真實(shí)現(xiàn)，對(duì)于提高虛擬作物的精度及效果具有重要意義。
　　 最后，在氣象因子、土壤條件、品種參數(shù)和栽培措施等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的支持下，通過耦合作物形態(tài)建成模擬模型和作物生長(zhǎng)可視化模型，以Visual C++.net語言為設(shè)計(jì)工具，使用0penGL圖形平臺(tái)和Access數(shù)據(jù)庫，采用組件化技術(shù)構(gòu)建了基于模型的作物生長(zhǎng)可視化系統(tǒng).該系統(tǒng)初步實(shí)現(xiàn)了不