竹子单轴地下茎—根的计算机仿真

论文摘要

随着计算机的普及和广泛应用,虚拟现实技术取得了飞跃的发展。通过虚拟现实技术可以提供使用者一个关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟,让使用者如同身临其境一般。同时利用虚拟现实技术的交互性能,使用者可以实时修改各种参数数据,以便对各种方案及结果进行比较。从而使被研究对象更加形象化和易于理解,使使用者全方位地获取虚拟环境所蕴涵的各种空间信息和逻辑信息。为了定量地研究竹子地下茎-根系统（bamboo Underground Stems-Root System,简称USRS）形态分布特性及变化规律在土壤侵蚀控制和固土护坡作用方面的影响,增加研究成果的动态性和可调控性,以在提高竹子侵蚀控制和坡面保护的水平与效益方面提供必要的理论依据和技术支撑。本文引入了虚拟仿真技术。本文详细分析了竹子地下茎-根的形态特征和分布特点,同时以单轴散生竹为研究对象,通过对比几种根系建模中的理论和技术,提出了一种基于几何构造模型的竹子地下茎-根三维建模方法。该方法首先建立了竹子地下茎-根的拓扑结构和几何结构,再通过渲染处理其三维几何结构。最后采用基于VC++环境下的OpenGL三维图形绘制,建立了竹子地下茎-根的三维实体模型。并给出了计算根长、根表面积、根体积等的计算公式。结合这种技术,在VC++环境下,通过递归的算法思想和程序编制,建立了一个能够较真实地再现竹子地下茎-根生长过程和形态特征及分布特点的计算机仿真系统。通过以单轴散生类云南毛竹为实验对象,对比仿真数据和实测数据,证明所建立的仿真系统是有效的,仿真模型具有一定的精度。在相关方面的科学研究和生产过程中,人们可以根据该模型的输入要求,通过较少的模型参数输入,获得不同时间竹子地下茎-根的分布特征和相关参数信息。增加了进一步研究USRS固土护坡作用的动态性、可调可控性、以及成果输出的可视化程度。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 虚拟植物技术
• 1.2.1 虚拟现实
• 1.2.2 虚拟植物技术
• 1.3 虚拟植物技术的研究现状
• 1.3.1 虚拟植物模型
• 1.3.2 虚拟植物模型的可视化
• 1.4 虚拟植物技术中的根系模拟研究
• 1.5 本论文研究的理论价值和意义
• 1.6 论文研究的主要内容
• 1.7 论文结构安排
• 第二章 植物根系建模的理论与方法
• 2.1 引言
• 2.2 虚拟植物的三维建模技术
• 2.2.1 基于几何构造模型的建模技术
• 2.2.2 利用三维扫描仪建模技术
• 2.2.3 基于图像的建模技术
• 2.3 根系常用建模方法
• 2.3.1 L系统法
• 2.3.2 分形方法
• 2.3.3 参考轴技术
• 2.3.4 植物三维重建法
• 2.4 分析比较
• 2.5 本章小结
• 第三章 竹子地下茎-根的建模
• 3.1 引言
• 3.2 竹子地下茎-根的形态特征和生长特点
• 3.2.1 形态特征
• 3.2.2 生长特点
• 3.2.3 云南毛竹地下茎-根的形态特征和生长特点
• 3.3 云南毛竹地下茎-根实际几何参数获取
• 3.3.1 试验材料
• 3.3.2 试验样本分析
• 3.3.3 试验样方分析
• 3.3.4 试验识别鞭龄方法
• 3.3.5 试验测量方法
• 3.3.6 试验数据
• 3.4 竹子地下茎-根的建模
• 3.4.1 建模理论基础
• 3.4.2 形态建模和建模路线
• 3.4.3 拓扑结构和几何结构描述
• 3.4.4 绘制竹子地下茎-根三维实体模型
• 3.4.5 竹子地下茎-根三维实体模型与动态生长过程的结合
• 3.5 本章小结
• 第四章 实现竹子地下茎-根计算机仿真的数据结构和算法
• 4.1 引言
• 4.2 模拟仿真程序的数据结构和算法
• 4.3 获取地下茎-根几何参量的算法
• 4.3.1 地下茎-根的根长、体积和表面积的计算
• 4.3.2 根系数量的统计
• 4.3.3 根长指数、表面积指数、体积指数的计算
• 4.4 验证分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 竹子地下茎-根动态生长的计算机仿真
• 5.1 引言
• 5.2 VC++与OPENGL应用接口的建立和初始化
• 5.2.1 VC++与OpenGL应用接口的建立
• 5.2.2 OpenGL的程序框架开发
• 5.3 模拟仿真程序的实现
• 5.4 实时视景的生成
• 5.4.1 建模
• 5.4.2 投影变换技术
• 5.4.3 消隐技术
• 5.4.4 计算场景色技术
• 5.4.5 双缓存技术
• 5.5 模拟仿真系统设计
• 5.5.1 需求分析
• 5.5.2 系统功能模块设计
• 5.5.3 系统界面设计
• 5.6 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况及参加课题一览表
• 附录A 毛竹主鞭的相关几何参数统计
• 附录B 一级侧鞭的相关几何参数统计
• 附录C 二级侧鞭的相关几何参数统计