向日葵生长模型的构建方法研究

论文摘要

植物是自然界最重要的组成部分之一,与人类的生存与生活密切相关。所谓虚拟植物（Virtual Plant）,就是利用计算机来模拟植物在三维空间中的生长发育过程,以可视化的方式来反映植物的形态结构规律。虚拟植物的研究是虚拟现实（Virtual Reality）技术中复杂耗时且最关键的技术之一,目前已经成为研究热点,在农业、林业、教育、娱乐、商业等领域有着广阔的应用前景。各种常用的植物建模方法都不是普适的,建模效率与建模结果的真实感之间难以平衡。另外,目前针对各种高大树木以及小麦、大豆、玉米、棉花、水稻等主要农作物的建模方法研究较多,而针对向日葵的研究报道还很少见。因此,本文主要以向日葵为研究对象,探讨如何快速有效地进行植物生长模型构建,根据自然界中真实向日葵的形态结构特点与植物学研究者测量的相关数据以及相关理论基础,对向日葵植株的地上部分进行了生长模型的构建。具体工作主要体现在以下几个方面:（1）针对向日葵地上部分主要器官（茎、叶、花）各自的不同特点,采用合适的方法分别对其进行几何模型的构建,以实现通过少量的人机交互达到较为逼真的模拟效果。提出了用参数化方法控制向日葵叶片的大致轮廓,并在此基础之上通过简单的计算修正轮廓,从而生成锯齿状叶缘的方法。（2）建立向日葵各器官的动态生长模型,实现向日葵各器官形态随时间的动态变化过程。其中,对传统的L-系统进行改进,并用于向日葵花开过程模拟和叶脉的拓扑结构构建,提高了效率,且节省了存储空间;基于形态特征变化对向日葵的向光性运动进行了模拟。（3）基于中国科技大学的赵星博士提出的双尺度自动机模型,以及“生长延时”机制,结合向日葵的具体特征,调用各器官的生长模型,进行向日葵植株的拼接,构建出向日葵植株不断变化的拓扑结构,实现了向日葵植株的动态生长过程。（4）以中小学生物实验课课堂教学为目的,利用面向对象（Objected Oriented）的思想设计了交互式向日葵虚拟生长系统,并采用MFC+OpenGL的组合方式在Visual Studio 2008集成开发环境下进行系统开发,将向日葵的动态生长发育过程可视化,充分验证了本文论述的解决方案的有效性,并具有一定的实际应用价值。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 研究意义
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 国外研究现状
• 1.3.2 国内研究现状
• 1.4 本文的研究目标
• 1.5 本文的研究内容
• 第二章 相关理论基础
• 2.1 计算机图形学原理
• 2.1.1 Bezier 曲线与曲面
• 2.1.2 分形理论
• 2.2 植物学原理
• 2.2.1 植物学相关概念
• 2.2.2 向日葵的形态特征
• 2.2.3 向日葵的生长发育阶段
• 2.2.4 光照对向日葵生长的影响
• 2.3 植物模型的构建原理
• 2.3.1 L-系统
• 2.3.2 双尺度自动机模型
• 第三章 向日葵各器官的生长模型构建
• 3.1 向日葵器官生长函数的比较与筛选研究
• 3.2 向日葵茎的生长模型构建
• 3.2.1 节间生长模型的构建
• 3.2.2 茎的向光性运动模拟
• 3.3 向日葵叶的生长模型构建
• 3.3.1 叶片生长模型的构建
• 3.3.1.1 锯齿形叶缘模型的构建
• 3.3.1.2 基于改进 L-系统的叶脉模型构建
• 3.3.2 叶柄生长模型的构建
• 3.3.3 叶的生长过程模拟
• 3.4 向日葵花的生长模型构建
• 3.4.1 花的几何模型构建方法的比较与筛选研究
• 3.4.2 基于改进 L-系统的花开过程模拟
• 第四章 基于双尺度自动机的向日葵生长模拟
• 4.1 向日葵植株拓扑结构的构建
• 4.2 状态属性表
• 4.3 向日葵植株生长过程模拟
• 第五章 向日葵虚拟生长系统的设计与实现
• 5.1 系统设计
• 5.1.1 系统设计目标
• 5.1.2 系统功能结构设计
• 5.2 系统实现
• 5.2.1 环境与开发工具
• 5.2.2 器官的可视化
• 5.2.2.1 茎的可视化
• 5.2.2.2 叶的可视化
• 5.2.2.3 花的可视化
• 5.2.3 植株生长的可视化
• 5.2.4 系统运行界面
• 5.3 效果评价与应用
• 5.3.1 效果评价
• 5.3.2 系统的应用
• 第六章 总结与展望
• 6.1 论文的主要研究工作总结
• 6.2 进一步的工作
• 参考文献
• 致谢