分形理论及骨架模型在土壤和根系可视化中的应用

论文摘要

计算机图形学技术和农业知识的有机结合使得对农林植物及其生长环境的研究跨入到数字化和可视化的阶段，在计算机上以三维可视的方式分析、研究和设计农林植物的形态结构、生长环境和生长过程已经成为可能。土壤是农林植物最基础的生存环境，根系是植物与士壤相互作用的纽带，开展土壤和根系的可视化研究工作具有重要的研究意义，不但可以有力地推动和促进数字植物的研究，对相关计算机技术领域的应用和拓展也具有积极的作用。本文利用计算机图形学知识和技术，对土壤孔隙结构和土体三维可视化、玉米根系三维可视化交互建模进行了研究，具体研究结果如下：(1)利用Koch曲线实现了土体孔隙结构三维可视化仿真建模。基于广义能量极小值原理，把传统的Koch曲线由二维扩展到三维；建立了土壤孔隙孔径和深度之间的关系，确定了每条孔隙通道的空间分布；采用逐层绘制技术来绘制土体孔隙；最后通过“虚拟土壤”实验进行了模型验证，结果表明在计算机上重建的土体孔隙能较好地表现特定土壤土体孔隙结构特征，具有较强真实感。(2)利用粒子系统实现了土体结构和土壤颗粒的可视化建模。首先建立土壤粒子系统模型框架，定义了9种基本土壤粒子；其次设置土壤粒子系统的初始状态，然后分析并设定土壤粒子系统的运动变化；最后通过粒子运动得到了可视化土壤，并且通过计算三种不同土壤孔隙度进行验证，计算结果和趋势都与实际相符。(3)研究提高粒子系统实时性的方法，在一定程度上提高了模拟土壤颗粒的速度。(4)采用视点控制技术和八叉树碰撞检测方法，实现了“虚拟土壤”内部结构的可视化漫游。(5)实现了玉米根系三维交互设计。采用交互式骨架模型确定了玉米根系拓扑结构；设计密度函数确定其分支数量和分布；利用模板技术衍生相似部位，利用带参数随机L系统产生一级侧根及根毛；最后通过拼接形成完整的玉米根系。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 研究的目的和意义
• 1.2 研究现状和存在的问题
• 1.2.1 土壤可视化研究现状及存在问题
• 1.2.2 根系可视化研究现状及存在问题
• 1.3 研究内容及结构安排
• 第二章 基于Koch曲线的土体孔隙三维可视化仿真
• 2.1 引言
• 2.2 Koch曲线绘制
• 2.2.1 二维Koch曲线绘制
• 2.2.2 三维Koch曲线绘制
• 2.3 土体孔隙结构的可视化建模
• 2.3.1 土体孔隙结构的基本特征
• 2.3.2 土体孔径变化控制
• 2.3.3 土体孔隙逐层绘制
• 2.3.4 土体孔隙分布控制
• 2.3.5 土体孔隙参数交互式控制
• 2.4 土体孔隙结构的可视化计算应用
• 2.4.1 “虚拟”图像制备
• 2.4.2 土体孔隙随深度变化趋势
• 2.4.3 土体孔隙小尺度特征分析
• 2.5 小结
• 第三章 基于粒子系统的土壤可视化仿真
• 3.1 引言
• 3.2 模型假设
• 3.3 土壤粒子系统可视化建模
• 3.3.1 土壤粒子定义
• 3.3.2 土壤粒子形状设置
• 3.3.3 土壤粒子系统初始状态
• 3.3.4 土壤粒子系统变化
• 3.3.5 三维土壤生成
• 3.4 模型实现
• 3.4.1 土壤基本粒子生成
• 3.4.2 可视化土壤生成
• 3.5 土壤可视化计算
• 3.6 粒子系统优化方法
• 3.6.1 绘制效率优化
• 3.6.2 计算复杂性优化
• 3.6.3 粒子数量优化
• 3.7 土壤可视化优化应用
• 3.7.1 显示列表
• 3.7.2 几何形体优化
• 3.7.3 多级粒子系统
• 3.7.4 碰撞检测与处理优化
• 3.7.5 线性表优化
• 3.8 小结
• 第四章 土壤结构的三维可视化漫游
• 4.1 引言
• 4.2 基于OpenGl几何变换的虚拟漫游视点控制
• 4.2.1 漫游交互的基本控制动作
• 4.2.2 基于OpenGl几何变换的漫游视点控制
• 4.3 基于面向对象八叉树的虚拟漫游碰撞检测
• 4.3.1 面向对象八叉树基本数据结构
• 4.3.2 虚拟漫游碰撞检测
• 4.3.3 虚拟漫游的实现
• 4.4 小结
• 第五章 基于交互式骨架模型的根系精确建模
• 5.1 引言
• 5.2 玉米根系主要形态结构特征分析
• 5.3 玉米根系形态骨架模型
• 5.4 设计流程及数学基础
• 5.4.1 骨架曲线生成及交互
• 5.4.2 密度函数
• 5.4.3 基于三角面片绘制的三维重建
• 5.4.4 基于线段拼接的三维重建
• 5.4.5 基于模板的三维重建
• 5.4.6 基于带参数随机L系统的一级侧根及根毛重建
• 5.5 系统实现
• 5.6 小结
• 第六章 结束语
• 6.1 主要研究工作
• 6.2 需要进一步研究和完善的工作
• 参考文献
• 硕士期间发表学术论文
• 致谢