基于組件的小麥生長可視化技術(shù).pdf

1、虛擬作物以作物器官、個體和群體的形態(tài)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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,在科學(xué)研究、教學(xué)及生產(chǎn)管理等領(lǐng)域具有重要的現(xiàn)實意義和廣泛的應(yīng)用前景。本研究的目的是融合作物學(xué)、計算機圖形學(xué)、虛擬現(xiàn)實等多學(xué)科的理論與技術(shù),以小麥為對象,基于已有小麥生長模型與形態(tài)模擬模型,研究小麥器官幾何建模、真實感繪制、群體三維重建與實時繪制等關(guān)鍵技術(shù),進而基于Micros

2、oft.Net平臺構(gòu)建作物可視化模型組件,開發(fā)了小麥生長可視化系統(tǒng),為小麥品種株型設(shè)計、生產(chǎn)精確管理及調(diào)控等奠定技術(shù)基礎(chǔ)。
　　 通過對小麥器官和個體形態(tài)特征的觀測分析,利用三維建模技術(shù),構(gòu)建了基于形態(tài)特征參數(shù)的葉片、麥穗幾何模型?；贜URBS曲面特性進行葉片建模與形變模擬；采用組合單器官的方式構(gòu)建麥穗幾何模型:用偏圓柱體模擬穩(wěn)軸節(jié)片,用三角面片分別為基于麥芒曲線的麥芒與基于外麩曲線的外麩建模,用NURBS曲面為花藥建模,用分

3、層模型控制穗形,依據(jù)麥穗拓撲結(jié)構(gòu)組合以上器官構(gòu)建麥穗幾何模型。綜合實驗室已有研究成果,結(jié)合小麥拓撲結(jié)構(gòu),構(gòu)建了地上部與地下部器官耦合的小麥個體幾何模型。最后,基于小麥形態(tài)模型輸出的器官形態(tài)特征參數(shù)與植株拓撲結(jié)構(gòu)構(gòu)建了器官與個體的幾何模型。
　　 以小麥器官和個體幾何模型為基礎(chǔ),提出了顏色渲染、紋理映射、光照渲染及陰影渲染等真實感圖形顯示技術(shù),并基于OpenGL圖形庫,實現(xiàn)了小麥器官與個體幾何模型的渲染。顏色渲染與小麥形態(tài)模型中的

4、葉色子模型相結(jié)合,能準確的反映整個生育期內(nèi)小麥器官顏色的動態(tài)變化過程；綜合品種、氣象、水分、氮肥等因素,構(gòu)建了器官紋理庫,實現(xiàn)了器官表面細節(jié)信息的表達；基于OpenGL提供的光照模型,實現(xiàn)了一天中不同時刻光照效果的模擬；采用平面陰影算法,簡單高效的實現(xiàn)了器官與個體的陰影渲染。實驗結(jié)果表明,本研究提出的圖形真實感顯示技術(shù)算法高效,易于實現(xiàn),繪制的小麥器官與個體具有較強的真實感效果。
　　 提出了一種基于多技術(shù)融合實現(xiàn)小麥群體生長實

5、時繪制的方法。首先根據(jù)小麥群體形態(tài)建成規(guī)律,分析小麥群體生長過程中個體間的差異,確定個體實例化樣本數(shù)量,并封裝為樹形顯示列表；然后根據(jù)小麥器官幾何模型的構(gòu)建方法生成不同細節(jié)層次的小麥個體模型,根據(jù)視點、視角和視線來指導(dǎo)視域裁剪、空間的剖分以及細節(jié)層次的選?。徊⒒谛←渹€體可視化模型,實現(xiàn)了大規(guī)模小麥群體的實時繪制。實驗結(jié)果表明,提出的群體可視化技術(shù)能準確表達小麥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。
　　 在氣象資

6、料,土壤特性、品種參數(shù)和栽培管理措施等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的支持下,通過耦合小麥形態(tài)模型和可視化模型,基于Microsoft.Net平臺,結(jié)合OpenGL圖形庫,利用組件接口編程技術(shù),構(gòu)建了小麥器官、個體與群體的可視化模型組件,開發(fā)了小麥生長可視化系統(tǒng),從器官、個體到群體三個層面實現(xiàn)了不同生態(tài)環(huán)境、品種、栽培措施條件下小麥生長動態(tài)全過程的逼真模擬。研究結(jié)果表明,小麥生長可視化系統(tǒng)的建立和應(yīng)用將有助于提升作物生長系統(tǒng)表達的數(shù)字化和可視化水平,可促進虛