论文摘要
虚拟作物以作物器官、个体或群体的形态结构为研究对象,在计算机上以可视化方式模拟作物在三维空间中的形态结构变化规律及生长发育过程,是对作物生长模拟的进一步深化和拓展,在农学研究和教学、作物生长设计和管理调控等领域具有重要的现实意义和广泛的应用前景。本研究的目的是融合作物学、计算机图形学、虚拟现实等多学科的理论与技术,以小麦、水稻作物为对象,基于作物形态建成模拟模型,研究作物形态建模、真实感绘制、器官变形模拟、作物个体和群体冠层三维重建及作物可视化中的器官碰撞检测与响应等关键技术,进而建立基于模型耦合的作物生长可视化系统,为进一步构建基于模型的数字作物系统奠定技术基础。首先,将参数化几何建模方法应用于作物器官形态建模,通过对稻麦作物器官形态建成过程中关键特征的观测分析,利用三维几何建模技术,构建了基于形态特征参数的作物器官几何模型,包括叶片、叶鞘、茎秆、麦穗和稻穗几何模型。用NURBS （Non-Uniform Rational B-Spline）曲面分别对叶片和叶鞘建模,并用圆柱体模拟茎秆的节间。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籽粒及小穗枝梗。用Bezier曲线来拟合稻穗曲线,将二维空间的穗曲线映射到三维空间,构建穗轴几何模型；用一段穗轴及圆柱体模拟一次枝梗和二次枝梗,并分别用椭球体及圆柱体模拟小穗的谷粒及小枝梗,进一步形成具有拓扑关系的稻穗几何模型。将叶长、叶宽、茎叶夹角、叶鞘长、节间长、节间粗、穗长、穗倾角等设为作物器官几何模型的基本参数,能较好地描述作物器官形态建成过程,参数的生物学意义明确,且容易与作物形态建成过程模型相耦合,为实现作物虚拟生长奠定了基础。以作物器官几何模型为基础,结合纹理映射、颜色渲染、光照处理等真实感图形显示技术,实现了具有较强真实感的作物器官图形显示。并进一步针对作物器官的变形问题,尝试将骨架驱动物体变形的方法应用于作物器官的局部变形,对叶片的弯曲、扭曲等变形问题做了初步的探讨,提出了一种骨架驱动的叶片变形方法。该方法首先生成叶片骨架模型,包括主脉骨架和若干条垂直于主脉骨架的横向骨架；然后驱动骨架模型发生变形,并根据变形后的叶片骨架将变形操作应用到叶片曲面上,进而实现叶片曲面变形。最后,应用骨架驱动的叶片变形方法,分别对小麦叶片曲面进行弯曲和扭曲变形模拟。实验结果表明,基于骨架驱动的作物叶片形变方法能灵活控制叶片弯曲和扭曲程度,从而获得自然的叶片曲面变形效果。针对现有植物生长建模方法难以应用于作物可视化的问题,提出了一种利用树形结构将作物器官可视化模型与作物形态建成模拟模型有机结合,显示作物个体生长过程的方法。该方法首先基于作物个体生长的基本规律,利用作物形态建成模拟模型的输出参数建立能描述作物生长信息（包括器官几何结构信息和植株生长拓扑特征）的作物树；然后按生长发育的时间序列层次遍历作物树,获得作物生长的相关信息,并基于器官可视化模型,实现作物个体生长的可视化.实验结果表明,所形成的可视化方法能较准确表现作物生长过程中的器官几何信息和拓扑特征,较真实地反映作物形态的动态生长过程,为实现作物群体生长的可视化提供了关键技术。提出了一种基于网格简化技术和细节层次技术实现作物群体生长实时绘制的方法。首先根据作物群体形态建成规律及群体生长过程中个体之间的差异,将网格简化技术与基于视点的细节层次控制技术相结合,根据作物器官几何模型的构建方法生成不同细节层次的作物个体模型；然后利用作物群体形态特性,根据视角和视距来指导空间的剖分以及细节层次的选择,分别调用具有不同细节的模型参与群体的生成,建立基于多细节层次模型的作物群体显示算法；最后在作物个体生长可视化的基础上,实现作物群体的实时绘制。实验结果表明,提出的群体可视化技术能较准确表现作物生长过程中的群体形态特征,具有较好的真实感和实时性,为进一步建立虚拟作物系统奠定了基础.将碰撞检测与响应技术引入作物可视化生长模拟,针对以NURBS曲面表示的作物叶片,提出了一种基于曲面分割技术及混合层次包围盒树实现作物叶片间碰撞检测的方法。该方法首先采用节点插入技术对叶片曲面进行分割,然后兼顾碰撞检测的速度与精度,为分割后的叶片曲面建立轴向包围盒AABB（Axis-Aligned Bounding Box）与固定方向凸包FDH （Fixed Direction Hull）混合层次包围盒树。根结点采用AABB包围盒,以快速排除不可能相交的叶片,其它层结点采用FDH包围盒,以保证精确的判定距离较近的叶片间碰撞状态,并基于混合层次包围盒树,设计了碰撞检测算法。在此基础上,针对不同的叶片间碰撞情况,根据作物叶片形态变化规律,提出了较合理有效的冲突响应机制.实例分析表明,所建立的算法可有效地应用于作物群体可视化生长的仿真实现,对于提高虚拟作物的精度及效果具有重要意义。最后,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,通过耦合作物形态建成模拟模型和作物生长可视化模型,以Visual C++. net语言为设计工具,使用OpenGL图形平台和Access数据库,采用组件化技术构建了基于模型的作物生长可视化系统.该系统初步实现了不同生态环境和生产技术条件下作物生长过程的动态模拟和逼真显示,从器官-个体-群体三个层次达到了作物形态生长的可视化。系统的开发和应用将有助于提升作物生长系统表达的数字化和可视化水平,促进虚拟农作技术的发展。
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