作物形態(tài)結構的可視化技術研究.pdf

1、虛擬作物以作物器官、個體或群體的形態(tài)結構為研究對象，在計算機上以可視化方式模擬作物在三維空間中的形態(tài)結構變化規(guī)律及生長發(fā)育過程，是對作物生長模擬的進一步深化和拓展，在農(nóng)學研究和教學、作物生長設計和管理調控等領域具有重要的現(xiàn)實意義和廣泛的應用前景。本研究的目的是融合作物學、計算機圖形學、虛擬現(xiàn)實等多學科的理論與技術，以小麥、水稻作物為對象，基于作物形態(tài)建成模擬模型，研究作物形態(tài)建模、真實感繪制、器官變形模擬、作物個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與響應等關鍵技術，進而建立基于模型耦合的作物生長可視化系統(tǒng)，為進一步構建基于模型的數(shù)字作物系統(tǒng)奠定技術基礎。
　　 首先，將參數(shù)化幾何建模方法應用于作物器官形態(tài)建模，通過對稻麥作物器官形態(tài)建成過程中關鍵特征的觀測分析，利用三維幾何建模技術，構建了基于形態(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

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，進一步形成具有拓撲關系的稻穗幾何模型。將葉長、葉寬、莖葉夾角、葉鞘長、節(jié)間長、節(jié)間粗、穗長、穗傾角等設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)的生物學意義明確，且容易與作物形態(tài)建成過程模型相耦合，為實現(xiàn)作物虛擬生長奠定了基礎。
　　 以作物器官幾何模型為基礎，結合紋理映射、顏色渲染、光照處理等真實感圖形顯示技術，實現(xiàn)了具有較強真實感的作物器官圖形顯示。并進一步針對作物器官的變形問題，嘗試將骨架驅動物體變形的方法應用于作物器官的局部變形，對葉片的彎曲、扭曲等變形問題做了初步的探討，提出了一種骨架驅動的葉片變形方法。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；然后驅動骨架模型發(fā)生變形，并根據(jù)變形后的葉片骨架將變形操作應用到葉片曲面上，進而實現(xiàn)葉片曲面變形。最后，應用骨架驅動的葉片變形方法，分別對小麥葉片曲面進行彎曲和扭曲變形模擬。實驗結果表明，基于骨架驅動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。
　　 針對現(xiàn)有植物生長建模方法難以應用于作物可視化的問題，提出了一種利用樹形結構將作物

6、器官可視化模型與作物形態(tài)建成模擬模型有機結合，顯示作物個體生長過程的方法。該方法首先基于作物個體生長的基本規(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信息（包括器官幾何結構信息和植株生長拓撲特征）的作物樹；然后按生長發(fā)育的時間序列層次遍歷作物樹，獲得作物生長的相關信息，并基于器官可視化模型，實現(xiàn)作物個體生長的可視化。實驗結果表明，所形成的可視化方法能較準確表現(xiàn)作物生長過程中的器官幾何信息和拓撲特征，較真實地反映作物形態(tài)的動

7、態(tài)生長過程，為實現(xiàn)作物群體生長的可視化提供了關鍵技術。
　　 提出了一種基于網(wǎng)格簡化技術和細節(jié)層次技術實現(xiàn)作物群體生長實時繪制的方法。首先根據(jù)作物群體形態(tài)建成規(guī)律及群體生長過程中個體之間的差異，將網(wǎng)格簡化技術與基于視點的細節(jié)層次控制技術相結合，根據(jù)作物器官幾何模型的構建方法生成不同細節(jié)層次的作物個體模型；然后利用作物群體形態(tài)特性，根據(jù)視角和視距來指導空間的剖分以及細節(jié)層次的選擇，分別調用具有不同細節(jié)的模型參與群體的生成，建立基于

8、多細節(jié)層次模型的作物群體顯示算法；最后在作物個體生長可視化的基礎上，實現(xiàn)作物群體的實時繪制。實驗結果表明，提出的群體可視化技術能較準確表現(xiàn)作物生長過程中的群體形態(tài)特征，具有較好的真實感和實時性，為進一步建立虛擬作物系統(tǒng)奠定了基礎。
　　 將碰撞檢測與響應技術引入作物可視化生長模擬，針對以NURBS曲面表示的作物葉片，提出了一種基于曲面分割技術及混合層次包圍盒樹實現(xiàn)作物葉片間碰撞檢測的方法。該方法首先采用節(jié)點插入技術對葉片曲面進行

9、分割，然后兼顧碰撞檢測的速度與精度，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。根結點采用AABB包圍盒，以快速排除不可能相交的葉片，其它層結點采用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，設計了碰撞檢測算法。在此基礎上，針對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機制。實例分析表明，所建立的算法可有效地應用于作物群體可視化生長的仿真實現(xiàn)，對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可視化模型，以Visual C++.net語言為設計工具，使用0penGL圖形平臺和Access數(shù)據(jù)庫，采用組件化技術構建了基于模型的作物生長可視化系統(tǒng).該系統(tǒng)初步實現(xiàn)了不