结合图像重建和L系统的虚拟植物原型系统设计

为模拟植物的生长或形态特性，探索提出了一种结合图像重建和L系统的虚拟植物可视化原型系统；植物主干采用L系统生成；植物细节对视觉效果影响较小，采用植物器官表面重建；采用规则建模来提高模型的可控性，基于图像重建得到更好的可视效果。试验表明该文方法能够降低建模复杂度，较好实现虚拟植物的可视化展现。     

基于OpenGL的小麦形态可视化技术

形态可视化技术是虚拟植物研究的关键技术之一。本研究以小麦作物为对象,在提出小麦形态可视化技术框架的基础上,首先研究了小麦不同器官的三维几何建模技术,构建了基于器官形态特征参数的几何模型,包括叶、茎秆和麦穗几何模型。用NURBS曲面来模拟叶片和叶鞘;用圆柱体模拟茎秆的节间;并采用组合单器官的方式来构建麦穗模型：用圆柱体模拟穗轴,用椭球体和圆柱体分别模拟小穗的谷粒及小穗枝梗。然后,基于OpenGL图形平台,绘制了小麦器官的三维形态,并提出了颜色渲染、纹理映射、光照处理等真实感图形显示技术;最后,通过耦合小麦植株的拓扑结构模型以及小麦个体之间的相互关系,实现了小麦从器官-个体-群体三个层次的形态可视化,从而为构建可视化小麦生长系统奠定了技术基础。     

基于体着色的植物构型三维重建和可视化模拟

对植物进行三维重建通常利用立体视觉原理,由于立体匹配无法自动完成,加大了对植物构型时空变化的研究难度。根据体素颜色赋值法,设计了记录植物空间变化的体素三维重建系统,并利用其重建出植物点云数据,提出了针对植物体素点云数据进行滤波、分类及提取植物构型信息的算法,基于OpenAlea利用植物构型信息,建立植物构型模型并实现可视化模拟。采用阴香（Cinnamomum burmannii）枝条作为样本对该三维重建系统进行验证,结果表明,该系统能够自动重建枝条构型组织茎叶的点云,抽取植物构型信息的算法能快速正确得到枝     

小麦群体生长状态实时绘制技术及实现

为了有效提高小麦群体可视化的真实感与实时性,该文提出一种基于多技术融合的小麦群体生长实时绘制的方法。首先,根据小麦群体形态建成规律,定量分析了小麦群体中个体间差异性。其次,在改进群体显示实时性方面,基于已有的小麦个体生长可视化,采用细节层次（LOD）模型,根据视点、视角和视线来动态指导空间剖分以及细节层次的选择;采用视域裁剪技术,通过减少被检测节点的数量和提高单个节点视域裁剪的处理速度来提高系统的渲染速度;基于小麦群体中个体器官形态的组成,结合树形多级显示列表技术,通过改进数据结构设计,提高场景的显示效率;在增强群体可视化真实感方面,基于已有的小麦形态模型输出,通过小麦群体中个体间差异性分析研究,采用外部引用和实例化技术,创建互异的个体实例样本,群体绘制时进行随机引用,提高了显示的真实感;最后,进行基于不同技术小麦群体绘制的效率与实例分析比较,结果表明,基于多技术融合场景绘制算法的小麦群体生长可视化,具有较好的实时性和真实感。研究结果为进一步建立小麦生长可视化系统奠定了基础。     

人工混交林的林分可视化研究

随着计算机科学与图形学的快速发展,林分可视化技术已经成为21世纪数字林业和精准林业的重要支撑。以林分可视化系统(stand visualization system,SVS)基本原理为切入点,利用木兰围场国有林场森林植被调查数据,详细介绍了该模型的使用方法,展示了研究区内华北落叶松(Larix principis-rupprechtii)-白桦(Betula platyphlla)单木树形设计与人工混交林林分可视化的基本流程,并对模拟结果进行了分析与讨论。研究结果表明,林分可视化系统可生成直观、立体、精美的林分可视化效果图,并可提供林分树种分布、胸径分布、垂直结构、郁闭度等大量林分基础数据信息;可在虚拟森林环境中设计或调整森林经营方案,模拟森林经营的全过程,是实现森林经营可视化的理想工具;最后,讨论了林分可视化系统现阶段应用的局限性与未来的发展方向。     

基于结构-功能互反馈机制的植物生长可视化建模与仿真(简报)

为确定植物生长可视化建模的一般方法,在总结国内外相关研究成果的基础上,归纳了基于结构-功能反馈机制的植物生长可视化建模的步骤,研究了建模过程中涉及的植物形态结构描述模型、结构模型与功能模型的结合、可视化模型以及模型的有效性检验等关键性技术问题,最后以具体作物生长可视化建模为例阐述了该技术的应用,并对关键性技术问题进行了讨论.研究结果表明,基于结构-功能反馈机制的作物生长模型,不但能可视化模拟不同环境因素下作物的生长发育状况,而且可在作物理想株型培育、群体产量预测、栽培管理等领域发挥实际作用.     

基于三维点云数据的花瓣形态及生长过程模拟

目前对于虚拟植物的研究多是通过图形建模来模拟植物的生长变化,计算复杂且操作不灵活。随着三维扫描和点云重建技术的发展,为复杂植物形态可视化提供了新的手段。论文基于三维扫描的植物点云数据模型,研究了植物花瓣的形变和生长过程模拟。利用三维扫描仪获取植物花瓣的生长序列,采用MATLAB根据实测点云数据拟合植物生长函数曲线,最后将传统花卉生长模拟与点云模型的自由变形相融合,提出了依据实测点云数据通过点云模型变形算法模拟花卉植物动态生长的方法。该方法不仅能够保留花卉植物复杂的形态特征,而且使形变控制简单,模拟的花瓣形态及生长真实自然。此外,该方法还与基于物理的模拟方法进行比较,并利用拟合回归分析、实测花瓣数据与重建数据间误差对该方法的准确性进行了分析。结果显示花瓣生长期内决定系数达0.75以上及平均误差控制在2mm以内,研究结果为花卉植物的生长形变模拟提供了参考。     

单图像的植物器官表观纹理生成系统研发

为提高农业题材三维数字媒体内容制作效率,解决植物器官表观纹理制作流程繁琐的问题,研发了基于单图像的植物器官表观纹理生成系统。该系统分为漫反射强度纹理、透射纹理、高光纹理、法向量贴图、环境遮蔽图以及表观纹理实时可视化6个模块。漫反射强度纹理生成模块采用基于能量约束的本征图像分解方法将植物器官图像分解为漫反射纹理以及光照图;透射纹理生成模块以PROSPECT模型为理论基础,反演植物叶片透射与反射的统计学关系,利用漫反射纹理生成透射纹理;高光参数纹理生成模块采用交互式操作,基于用户对少量样本点的高光表观参数设定,根据概率插值出整个器官表面的高光参数,进而形成高光强度纹理和粗糙度纹理;法向量贴图模块在阴影恢复形状技术的基础上,综合低频和高频特征生成法向量贴图;环境遮蔽图生成模块通过简单的亮度倍增操作,将光照图转换成环境遮蔽纹理;表观纹理实时可视化模块利用上述生成的表观纹理进行实时的器官三维渲染,为用户提供反馈。系统仅需调节3个参数即可生成6种样式丰富的器官表观纹理,操作简捷,自动化程度高。在处理512×512分辨率的图像时,生成6种表观纹理的总计算时间小于8 s。结果表明,该系统可以通过简单的操作,高效生成三维植物可视化中常用的表观纹理,为农业题材的三维数字资源开发提供技术工具。     

基于组合型L-系统的单树建模工具的设计与实现

该文依据植物形态学和树木生长过程的生理生态学原理,提出由器官尺度上升单树尺度的L-系统文法规则组合拼接方法,该方法有利于L-系统树木形态和生长规则的重用,实现对树木形态拓扑结构的本真还原和科学模拟。该文设计了基于L-系统的单树建模工具软件的功能体系结构,并在VC++开发环境下采用OpenGL图形标准、VRML虚拟现实建模语言开发完成了单树建模工具软件-LSTree。LSTree具有模型输入输出、树木三维可视化、生长过程模拟等业务功能,以及良好的人机交互性能和灵活、科学的单树模型组织管理方式。该软件可用于精准农业,以及植物学和生态学方面的教研、宣教等专业研究与应用。     

玉米三维重构及可视化系统的设计与实现

重构出植物的三维形态是数字植物研究的基础。介绍了玉米三维重构及可视化系统的整体结构、数学基础及实现过程。系统由器官几何造型模块、生长模型模块、可视化控制模块、数据库和人机交互界面组成。其中，玉米叶片、茎节、雄穗、雌穗和根系的三维形态是由基于器官形态结构主要特征而构建的参数化的几何模型来描述的。模型参数具有较明确的生物学意义，均可由品种特征或生长模型生成；系统运行时，根据玉米品种特征和玉米生长模型生成植株的拓扑结构参数和器官几何模型参数，通过人机交互操作来确定行株距等农艺措施参数，进而结合VC++和openGL在计算机上重构出玉米器官、个体和群体的三维形态，具有较好地真实感。系统界面友好、使用方便，易于交互，为农学研究者提供了新的手段。     

基于模型的可视化水稻生长系统的构建与实现

在气象因子、土壤条件、品种参数和栽培措施等基础数据的支持下,通过耦合水稻生长模拟模型、形态结构建成模型和虚拟显示模型及策略分析评价模型、气象资料生成模型、品种参数调试模型,利用计算机软构件技术和动态图形技术,建立了基于模型的可视化水稻生长系统。系统在.NET平台上运用C#语言进行开发,接入OpenGL作图工具,初步实现了不同生态环境、品种类型、生产技术条件下水稻生长的动态模拟和逼真显示,具有数据管理、生长模拟、方案评估、因苗预测、时空分析、系统帮助等功能。研究结果将有助于提升农作生长系统表达的数字化和可视化水平,为虚拟农业的发展奠定基础。     

玉米生长三维显示模型研究初探

动态显示玉米的生长、发育和产量形成过程,有利栽培管理。本研究主要目的是建立一个基于生长模拟模型的可视化系统,从而反映玉米生长、发育和产量形成的实时动态。有关玉米生长、发育和产量形成的基本算法与品种、环境和生产水平密切相关,其主要来自于现有文献和研究数据。基于生长模型的逐日输出,耦合玉米种子、根、茎、叶和穗等的形态建成和生长规则,从而建立了玉米形态变化的数学模型。通过计算机图形学、Visual C＋＋和OpenGL,本文建立了基于生长模拟模型和三维动画技术的玉米可视化模型系统,其能基本反映玉米生长、发育和产量形成规律,并具有结构简单、界面友好和图像真实等优点。     

基于不同滴灌方式的苹果幼树根系生长的三维可视化模拟

为研究不同滴灌方式下大田苹果幼树的根系生长行为,提出一种用Otsu方法对根系图像进行分割后统计分析根系空间分布的方法,利用图像处理库通过Python语言编程实现了获取空间分布统计矩阵,以Lynch的根构型模型为结构原型,结合功能模型建立不同滴灌方式下的大田苹果幼树根系生长行为结构功能模型,最后利用OpenAlea对该模型进行三维可视化模拟。以大田苹果幼树为试验对象进行验证,同时依据形态特征的相似度以及仿真数据与实测数据的相关性两个参考指标将模拟结果与实物进行对比,验证了所采用算法的有效性。结果表明,Otsu算法可有效分割苹果幼树根系图像数据,结合常规功能结构参数和空间分布统计矩阵建立的大田苹果幼树根系结构功能模型可科学地模拟不同滴灌方式对苹果幼树根系空间拓扑的影响,大田苹果幼树根系结构功能模型模拟可以可视化不同滴灌方式下的根系生长空间变化行为。可视化模拟结果表明,分根区交替灌溉的苹果幼树根系在根区两侧分布比较均匀,根密度较大,有利于提高根系对水肥的吸收利用效率。研究结果可为分根区交替灌溉在果园的应用提供参考。     

基于形态模型的小麦器官和单株虚拟生长系统研究

为更加直观的展示小麦的整个生长过程，同时为教学科研提供支持，将系统分析方法和数学建模技术应用于小麦植株的形态建成，通过对小麦形态数据的定量分析，并结合前人的研究成果，构建了小麦形态建成模拟模型，包括叶片形态建成子模型(包括叶长、叶形、叶面积、叶片空中伸展曲线、茎叶夹角、叶色和叶片衰亡)、茎形态建成子模型(包括茎长和茎粗)、叶鞘形态建成子模型(包括叶鞘长和叶鞘粗)和麦穗形态建成子模型(包括穗长和麦芒)等。并以此为基础，结合已有小麦生长模拟模型WheatGrow，在Microsoft Visual C＋＋平台上利用OpenGL构建了基于形态模型的小麦虚拟生长系统(WVGS)，初步实现了小麦生长过程的可视化表达。建立的模型库主要包括形态模型、生长模型、可视化模型以及场景控制模型四部分。所建数据库主要存储气象数据、土壤数据和品种参数。系统运行结果表明该系统能较好地模拟小麦形态特征，能较逼真的实现小麦生长过程的虚拟显示。     

植物微根系原位观测方法研究进展

植物根系是固定植株、获取水分和营养物质的主要器官。作为连接植物体与土壤环境的枢纽，根系的发育状况直接关系着地上部分的形态建成。由细根及其根毛组成的微根系是根系功能的关键组织。由于土壤中根系的非直观性和根系自身的复杂立体构型，常规研究方法很难准确测定根系的变化动态。微根系原位观测技术、方法的出现为原位根系研究提供了可能的手段。近年来，可用于观测微根系二维形态与立体构型的多种类型的原位生长系统、装置被研制出来，一些根系图像分析软件也不断开发和改进，大大提升了原位根系研究的准确性。本文介绍了几种用于原位微根系观测的装置和图像分析软件与计算方法，并比较了不同方法与软件之间的优劣，指出原位观测研究技术的应用和发展趋势，以期对后续植物微根系研究提供参考。     

农机部件数字化设计软件平台AgriDEM开发

为解决农机产品开发周期长、工作量大和成本高等问题,研制了集设计和性能分析评价为一体的农机部件数字化设计软件平台AgriDEM(agricultural discrete element method)。该平台通过将CAD软件与自主研发的基于DEM-CFD-MBK(discrete element method,computational fluid dynamics,multi-body kinematics)耦合的分析软件集成,可在设计阶段由农机部件的CAD模型(CAD软件设计图),进行农机部件工作过程的动态仿真和工作性能的分析评价,由此实现农机部件结构方案和尺寸参数的优化。该文详细介绍了该平台的架构和关键技术实现方法,包括农机部件分析模型的建模方法、颗粒的建模方法、基于OpenMP的并行计算方法、基于DLL的模块封装及原型系统开发等,最后通过一个实例验证了该平台的可行性和有效性,可为农机部件的优化设计和数字化设计提供参考。     

小麦根系长度的估算方法与参数分析

构建小麦根系伸长过程的动态模型,并对模型参数进行定量分析,可为植株形态建成模拟和可视化显示提供关键技术。根据根系生长发育的基本结构单元,利用根系与地上部叶片生长之间的同伸关系,以生长度日为时间尺度,建立了小麦初生根、节根与分枝根发生过程的模型;通过计算不同类型根系的生理年龄,建立了不同类型根系发育阶段预测模型;以线性方程为基础,建立了不同类型根的伸长过程模型,并实现了对总根长变化过程的动态模拟。利用独立的试验资料对所建模型进行了检验,结果显示模型对小麦总根长和主轴数量的模拟值与观测值的均方根差分别为370.68 cm和1.27个,相对误差分别为0.27和0.16;对模型参数的灵敏性分析表明,模拟结果对参数变化的响应比较适中,可以较好地反映小麦根系长度和拓扑结构的动态变化过程。     

根构型模拟模型及其应用

根构型定量表述是确定植物根系养分吸收的基础。因生长在不透明土壤中的根系难于被观测和分析解释，这就使得模拟模型成为研究相关问题的一种重要的补充方法。本文对根构型模型作了综述，介绍了根构型的几何模拟方法，评述了作为根构型与养分吸收主要模型的SIMROOT平台。通过采用“扩展树”数据结构并在SGI工作站上操作，这一模型能展现根系生长的生动图形。进而还可将此模型进一步开发用于评价扩散性养分的吸收。根构型模型的应用，包括我们改进模型对根系内及多根系间的养分竞争进行的模拟，也作了介绍。