龙虾体表三维可视化建模方法的研究

论文摘要

龙虾体表的表面几何结构和表面形态是长期适应生存环境而进化形成的,对龙虾的生存具有重要作用。本论文工作以大龙虾(西澳红龙)和小龙虾(克氏原螯虾)为研究对象,利用体视显微镜、共聚焦显微镜从宏观和微观尺度上观察、分析了龙虾体表的形态结构特征;采用逆向工程技术获取了龙虾体表点云数据,分别应用CATIA和IDL软件分析了点云数据特征,探讨了应用可视化技术建立龙虾体表数学模型的方法。通过SZX12型体视显微镜和OLS3000型激光共聚焦显微镜分别对大龙虾(西澳红龙)和小龙虾(克氏原螯虾)身体的各部位进行了宏观和微观观察和对比分析。发现其体表在宏观上分布着棘刺、凸包、凹坑、刚毛形等非光滑结构,在微观上分布着凹陷、凹坑、突起、刚毛形等非光滑结构,表明龙虾体表在不同尺度下具有结构的相似性。采用逆向工程技术获取了大、小龙虾体表腹部的点云数据。将获取的点云数据导入CATIA三维实体造型软件中,对点云数据进行消除噪声和过滤等处理,将获取的平面交线文件导入Excel中,得到龙虾腹部不同截面上的二阶多项式回归方程。探讨了如何使用ASCII_Template命令和采用编程等两种将点云文件导入IDL软件,比较了两种方法的优缺点。调用iTools中的iPlot图形化智能工具,对比分析了点云文件的各列文件。确认了文件各列点云数据与设定空间坐标系的对应关系,反推出三维激光扫描仪的部分参数。对X轴上的扫描线进行的二阶多项式回归分析表明,得到的回归曲线与该处的扫描线基本相符,二次多项式回归方程能够较好地描述小龙虾腹部体表的形态特征。对比分析了采用CATIA和IDL软件分析点云数据特征,应用可视化技术建立龙虾体表数学模型的方法的结果表明,CATIA软件在点云文件的处理如删除噪声和过滤上有优势,但IDL软件能够更加有效地对点云文件进行可视化建模。研究结果将为生物体表的可视化建模方法以及生物体表宏观形态、结构和材料的耦合效应分析提供技术基础。

论文目录

• 提要
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 仿生学及主要内容
• 1.1.1 仿生学综述
• 1.1.2 仿生学研究阶段
• 1.1.3 仿生学主要研究内容
• 1.1.4 生物体表形态建模方法研究的国内外现状
• 1.2 可视化技术
• 1.2.1 可视化技术概述
• 1.2.2 可视化技术国内外研究现状
• 1.2.3 可视化流程
• 1.2.4 可视化技术应用发展
• 1.3 本文研究对象
• 1.4 本文主要研究目的和内容
• 第二章 基于逆向工程技术的龙虾体表数据采集
• 2.1 逆向工程技术
• 2.1.1 逆向工程技术概述
• 2.1.2 逆向工程技术流程
• 2.1.3 逆向工程测量方法
• 2.2 龙虾的生物学特性
• 2.2.1 大龙虾生物学特性
• 2.2.2 小龙虾生物学特性
• 2.3 龙虾体表数据测量
• 2.3.1 测量设备
• 2.3.2 参数设置
• 2.3.3 扫描样品预处理
• 2.3.4 龙虾体表三维点云数据采集
• 2.4 小节
• 第三章 龙虾的表面形态和结构分析
• 3.1 龙虾体表宏观结构观察
• 3.1.1 实验仪器
• 3.1.2 样品预处理
• 3.1.3 龙虾体表宏观结构观察分析
• 3.2 龙虾体表微观结构观察
• 3.2.1 试验仪器
• 3.2.2 样品预处理
• 3.2.3 龙虾体表微观结构观察分析
• 3.3 小节
• 第四章 基于CATIA 软件的龙虾腹部建模方法的研究
• 4.1 CATIA 软件简介
• 4.1.1 CATIA V5 概况
• 4.1.2 CATIA 软件的处理过程
• 4.1.3 CATIA 的应用
• 4.2 应用CATIA 软件分析龙虾体表的几何特征
• 4.2.1 龙虾体表扫描数据的处理
• 4.2.2 龙虾腹部特征曲线的分析
• 4.3 小节
• 第五章 基于IDL 软件的龙虾腹部建模方法的研究
• 5.1 IDL 软件简介及主要特性
• 5.1.1 IDL 简介
• 5.1.2 IDL 的主要特性
• 5.1.3 IDL 与其它可视化语言的不同
• 5.1.4 IDL 的应用
• 5.2 应用IDL 软件分析龙虾体表的几何特征
• 5.2.1 龙虾体表扫描数据的导入
• 5.2.2 龙虾腹部特征曲线的分析
• 5.3 小节
• 第六章 结论与展望
• 6.1 主要结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 导师及作者简介