植物三维建模研究现状

植物三维建模是农学、地学、生物学、植物学、生态学等领域的研究热点之一.近年来,伴随计算机图形学、数学、计算机软硬件技术和测量技术的快速发展,虚拟植物三维建模和真实植物三维建模技术得到快速发展.本研究回顾了基于L-系统的虚拟植物三维建模研究现状,并总结了该方法存在的问题;综述了基于激光雷达新技术的两类真实植物三维建模方法,介绍了国内外的新方法,总结了该领域今后的两点重要研究内容.     

植物三维可视化研究进展

植物三维建模及其可视化系统基于植物的生理生态特性和形态特征进行研究,对于植物生长过程研究和自然景观再现均有重要意义。从基于模型的三维建模、基于图像的三维建模和基于扫描数据集的三维建模三个方面阐述了植物的三维建模研究进展,介绍了几何模型以及多个植物可视化系统软件的研究成果,总结了植物三维建模方式及其可视化系统存在的优势与不足,尤其是植物生理生态模型与形态模型可视化的耦合研究还有待完善,并对植物三维建模方式及其可视化系统的趋势进行了展望。     

基于点云数据的植物叶片三维重建

叶片是植物最重要的器官之一,为构建植物叶片的高精度几何模型,提出了一种基于三维点云数据的植物叶片几何建模方法。针对植物叶片形态特征,选定最适三维扫描仪进行叶片点云数据获取,通过点云的配准、简化及去噪等操作得到高质量叶片点云数据,在此基础上进行叶片网格生成与网格优化,最终得到高精度植物叶片网格模型。利用该方法分别对黄瓜、玉米和两个品种的葡萄叶片进行几何建模,结果表明,所构建的叶片模型能够较好地保持叶片形态特征,且较以前的方法在精确度和真实感方面有了较大的提高。该研究对于推动数字植物几何建模及进一步基于几何模型的可视化计算具有重要意义。     

基于Labview的植物微信息获取

为获取植物体应激反应过程设计了一种检测方法.该方法以Labview虚拟仪器为平台,利用红光探头获取植物微信息,并以海芋为检测对象,通过对其做破损实验,检测该植物的应激微信息数据.实验结果表明,该方法可有效检测因外界刺激引起植物自身反应的过程,能够用于实时监测植物生长情况.     

基于OnyxFLOWER的虚拟花卉建模技术的应用研究

随着信息技术和计算机技术的快速发展,以植物为对象的自然景物模拟现已成为计算机图形学领域的研究热点之一.该文重点介绍的是一种基于花卉多层次拓扑结构的三维建模软件OnyxFLOWER,并以麝香百合(Lilium longiflorum)为例对建模方法、建模特点进行分析,研究发现通过直观的交互界面对参数进行调整,可以创建具有较强真实感的花卉模型,同时通过数据比较总结出建模规律,以期为后续研究提供思路和方法.     

曲面建模方法在数字植物中的应用与展望

利用曲面建模方法实现植物形态结构的三维重构和真实感显示是数字植物研究的基础工作.本文对近年来曲面造型理论和技术的发展进行了介绍,着重阐述了参数曲面建模和隐式曲面建模技术在植物形态建模中的应用,分析了相关技术的各自优势,并对基于多边形网格的几何建模方法中一些新曲面造型技术在数字植物几何建模中的应用趋势进行了讨论,最后对曲面建模方法与数字植物研究的结合进行了展望.     

基于L-系统规则组合机制的植物建模新方法

L-系统是基于植物学规则进行树木建模的经典方法之一,已被广泛地应用于虚拟植物生成与应用中,但在实际建模中还存在规则提取难,建模周期长等问题。针对这个问题提出了L-系统规则组合的建模新方法,该方法利于树木形态及生长规则的复用,从构建基本的分枝结构、叶序、花序和果实等器官不同造型库出发,并结合相关的植物形态学、植物生理生态学知识和野外实测的树木形态因子数据,进行器官模型组合,最终形成树木三维几何模型。最后以龙眼树等为建模实例,基于该方法快速实现了三维建模,取得了较好的效果。目前该方法较适于构建具有复杂器官的高大乔木,还不足以模拟所有的植物,通过介绍该方法,希望在一定程度上降低L-系统建模的难度,达到快速建模的目的。     

基于点云数据的火龙果三维交互系统的设计与开发

为虚拟植物形态结构模型的构建及建立植物形态结构与生长机理的关系提供关键技术和基础框架。基于点云数据和3DS MAX 2012器官精确三维形态建模方法,构建不同生育期火龙果地上部三维形态模型,最终实现火龙果三维交互系统的设计与开发。该系统对于构建其他作物器官的三维模型具有指导意义。     

植物三维点云模型的处理应用

阐述了一种植物三维点云模型数据处理的方法,简述植物逆向工程的相关概念,提出植物逆向工程数据的获取及处理技术,阐述应用软件实现对黄瓜叶片、烟草叶片的三维点云模型的数据简化、三角网格生成、模型优化等操作,探索了面向植物三维点云模型的数据处理技术应用。     

园林植物三维建模方法初探

笔者在计算机图形学的基础上,针对景观的表现论述了园林植物三维模型建造的手工方法及计算机生成方法及理论,并指出植物三维建模的困难,针对这些困难从实践中提供了植物建模的相应对策,即减少数据量、进行模型的修改使之产生变化、增加植物的自然属性、正确选择更先进技术、选择可以变化贴图的材质进行贴图,这样可以更好地解决实践中景观表现中植物建模的困难。     

基于单目视觉和激光扫描技术的油菜植株模型重建及株型参数测量

分别采用单目视觉和激光扫描技术对2个油菜品种中双6号和华油杂62号的植株进行三维重建,并在重建模型上完成了对株高、叶柄长、叶片长度和叶片面积等4个株型参数的测量。结果表明:使用单目视觉和激光扫描技术的重建结果均能真实地表现油菜植株的整体形态,叶片间无遮挡的中双6号油菜植株效果更好,测量误差在2.00%以内;形态复杂叶片间部分遮挡的华油杂62号油菜植株测量误差在3.00%以内。模型重建试验表明,利用单目视觉和激光扫描技术能够完成复杂植株的模型重建,并实现部分株型参数的测量,可以为作物的遗传育种提供数据支持。     

数字植物研究进展:植物形态结构三维数字化

数字植物围绕农林植物生命、生产和生态系统的多维信息高效感知和认知的理论、技术和方法,通过多学科交叉合作,研究农林植物-环境3D数字化、高通量信息获取、情景感知、信息融合、结构和功能模拟、数字化设计和精准管理决策等数字农业的关键性、基础性以及共性理论和技术问题。植物形态结构的三维数字化是数字植物研究的重要组成部分,近年来很多学者从植物组织、器官、植株和群体等不同尺度,或者从植物根系和地上部等不同视角,围绕植物形态结构的参数测量、几何结构解析、三维模型构建、结构与功能建模,以及三维植物模型真实感展现等需要,开展了更深入的研究。在组织尺度方面,随着MRI、CT、显微成像等技术产品的不断成熟,使得利用这些先进测量仪器获取和测量植物组织内部结构数据成为可能,并被越来越多的研究者采用,成为进行植物内部形态结构测量和分析的有效手段。在植物根系的三维数字化方面,由于植物的根普遍生长在土壤里,观察和测量十分困难。虽然近年来XCT、MRI等穿透射线成像技术已越来越多地用于根系的形态结构探测,但这类技术往往仅能获取范围较小的根系局部数据,且价格昂贵。因此植物根系形态结构的准确、无损(原位)、快速测量仍然是一个挑战。在群体尺度方面,基于实测数据的三维重建逐渐成为植物群体三维重建的主要途径,研究者正试图从激光三维扫描仪获取的植物群体三维点云中提取群体的形态参数并实现群体的三维重构。而在三维植物模型的真实感绘制方面,如何准确地测量各种植物器官的光学特性并建立相应的数学模型是当前的研究重点,虽然已有不少研究者提出了相应的解决方案,但这些方法在便捷性和普适性方面仍然难以令人满意,有待更多深入研究。笔者最后结合相关领域的技术进展对数字植物的进一步研究进行了展望。     

基于Quest3D的污水处理设施教学软件开发

利用Quest3D软件制作污水处理设施教学软件,其中用SketchUp和3DSMAX软件实现三维物体的建模和动画制作,所制作的污水处理设施漫游系统仿真性强,并融入视频演示、音频解说。通过使用该系统能达到实际参观污水处理厂的效果。     

基于三维数字化的玉米株型参数提取方法研究

【目的】玉米株型参数获取是玉米精确化育种和栽培研究的重要环节,研究解决玉米株型参数获取中存在的测量标准不一致、测量精度低、数据难以可视化、算法提取参数精度低等问题具有重要意义。【方法】本文利用三维数字化仪获取玉米植株骨架结构,提出玉米茎、叶、雄穗和雌穗器官三维数字化获取标准规程。通过将植株三维数字化数据旋转至与Z轴正方向平行并平移至坐标系原点进行数据标准化,进一步根据三维数字化数据位置关系,结合各株型参数的定义实现了株高、叶片着生高度、叶片最高点高度、叶长、叶宽、叶展、叶倾角及叶方位角等主要株型参数的提取,同时提出一种新的玉米植株方位平面计算方法,通过构建植株方位平面与各叶方位角角度差绝对值之和作为目标优化函数,进一步对该L1优化问题进行迭代求解得到植株方位平面,当叶数量是偶数时,方法可以给出精确的方位平面区间,在此基础上,引入dev值作为评价植株叶相对植株方位平面偏离度的指标。【结果】利用6个品种吐丝期玉米植株三维数字化数据和人工测量参数数据进行株型参数提取方法验证。结果表明,方法提取的叶长、叶倾角、方位角误差较小,RMSE分别为3.44 cm、3.41°和8.23°,叶长和叶倾角的MAPE分别为4.06%和4.72%,叶宽因叶片在叶脉垂直平面上的曲线形态不一致导致误差相对较大,RMSE和MAPE分别为0.80 cm和7.21%。与传统负方向能量均值法相比,所提出新的玉米植株方位平面计算方法给出了玉米植株方位平面更确切的定量化描述,对于玉米株型的定量评价具有一定价值。【结论】基于三维数字化的玉米株型参数提取方法为玉米株型参数的提取与分析提供了一种精确、便捷、可视的技术手段,对于玉米株型表型组学、玉米功能结构模型及玉米株型优化研究具有重要作用。     

基于D0L系统的树木三维可视化模型研究

对树木的形态进行三维模拟 ,以D0L为基本算法 ,运用VC和OpenGL将抽象算法三维可视化 ,从而得到形象逼真的立体树木形态模型 ,并且利用该模型计算出树木的叶面积指数和光斑密度 .结果表明 ,运用D0L系统得到的模型具有一定的形态逼真性和运用价值 ,经扩充后还可用于植物理论生物学和实验观测生物学的仿真研究 .     

烟草地上部植株三维重构与可视化

【目的】实现烟草的数字化与可视化。【方法】本文采用模板技术对烟草植株进行三维重构,首先通过三维数字化仪对烟草器官进行测量和形态特征提取,然后基于形态结构特征分别建立了烟草叶片、花朵、果实和茎节等器官的参数化几何模型,保存为模板文件,最后调用相应的模板文件,结合图形变换方法拼接成完整植株几何模型。【结果】利用本文方法可方便构造烟草各主要时期的三维模型。【结论】所建立的烟草植株几何模型具有较高的真实感,为其三维形态交互设计和可视化模拟提供了技术支撑。