收藏本站
《重庆大学》 2009年
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

虚拟植物器官生长和变形技术研究

曾令秋  
【摘要】: 虚拟植物可视化技术的研究,是虚拟农业研究的重要组成部分;在数字农业、大型自然场景仿真系统、虚拟娱乐、科研、教育等诸多领域具有很高的应用价值。植物的建模表示与真实感绘制一直是计算机图形学领域研究的热点和难点之一。而对于植物这一形态各异、结构复杂的对象,其生长和变化往往蕴含着错综复杂的动力学和生物学规律与机理。相对于植物结构模型的研究,植物器官动态建模的研究较少见到;基于图像和生物学原理的器官建模具有重要的研究价值。本文基于图形图像技术、动力学和生物学原理,从植物的表达模型出发,研究了如何模拟生理机制驱动下的植物器官生长建模,力求在形态真实感以及绘制效率之间取得较好的平衡,以满足虚拟植物器官动态展示的需要。 在分析了植物模型的基本概念和常用虚拟植物建模方法后,给出了一种基于多尺度分析的虚拟植物分枝结构三维自动重建方法。首先建立控制分枝结构生长的二维层次自动机模型。对同种植物不同植株生长单元和叶元两级组织的形态和几何数据进行采样,用隐马尔可夫树分析生长单元的统计特征及转移关系,隐状态标记具有不同统计特征的各类生长单元,并采用半马尔可夫链描述产生各类生长单元的叶元序列。多尺度分析结果作为二维层次自动机模型的参数,自动控制三维重建过程。最后提出了通过对植物采样数据分析自动生成L系统的方法,使得特定植物的生长规律可以由基于数据统计的方法自动生成。 论文提出了利用基于粒子群的搜索算法确定B样条曲线插值所需的控制参数的方法,实现了植物器官轮廓线的拟合。搜索过程中采用了多目标优化策略,从而使得所拟合的曲线既能较好的逼近原始轮廓线又能够达到平滑的效果。同时通过建立辅助存储空间保存粒子群的历史非劣最优解,并计算最优解之间的距离保持解的多样性以防止粒子群算法的过早收敛;采用分治与递归的思想调整了粒子的内部结构,提高了计算B样条曲线节点参数的灵活度,达到了多分辨率插值的效果。 论文提出一种利用反馈控制系统实现生理参数多尺度变化从而驱动叶片生长变形的算法。首先采用二维层次自动机产生植物各器官的分枝结构,通过扰动函数实现生理参数与植物生长刺激的互动。其次植物生长刺激在修改各器官内部细节的同时也实现了对外部环境参数的影响,外部环境参数的变化反过来又实现了对器官分枝结构的剪枝。然后在渠化管网假设基础上利用反应-扩散原理实现叶脉纹理的变化,最后通过可控网格面的卷曲实现叶片的三维形变。仿真实验表明本方法能够较好的模拟植物叶片的纹理和形状随生理参数改变而变化的过程。 论文在深入分析Prusinkiewicz等利用参数L系统和语义相关L系统模拟植物的连续生长过程的基础上,提出了一个花开解决方案:以Bézier曲面的方法建立花的几何模型,如花瓣、萼片等,以环境交互的L-system将这些Bézier曲面组合起来,展现花开完整的生长过程,建立了符合生物学原理的动态生长模型。 最后提出了一种基于参数化曲线方程的植物果实造型方法,并在该造型方法的基础上,针对果实生长变化问题,提出了在参数方程上叠加扰动函数的解决方法。并通过三维Morphing建立了两个已有果实模型间的渐变模型,从而弥补了参数化模型变形缺乏目的性的不足。
【学位授予单位】:重庆大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:TP391.9

手机知网App
【引证文献】
中国期刊全文数据库 前1条
1 谢秋菊;苏中滨;孙红敏;;大豆叶片三维重建及形变技术研究[J];农机化研究;2011年09期
中国博士学位论文全文数据库 前1条
1 李松阳;水分与植物生长交互的建模与仿真研究[D];重庆大学;2012年
中国硕士学位论文全文数据库 前4条
1 赵春艳;向日葵生长模型的构建方法研究[D];东北师范大学;2010年
2 张海鹏;植物花朵开放虚拟方法与技术研究[D];西北农林科技大学;2012年
3 敬松;虚拟植物三维生长过程模型构建的关键技术研究[D];湖南农业大学;2012年
4 陈龙;棕榈科植物分枝结构多尺度建模与叶柄力学性能分析[D];华南理工大学;2012年
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 韩文轩,方精云;相关生长关系与生态学研究中的尺度转换[J];北京大学学报(自然科学版);2003年04期
2 李华 ,朱光喜 ,刘文予 ,朱耀庭;Metamorphosis技术综述[J];计算机研究与发展;2002年05期
3 周明华,汪国昭;基于遗传算法的B样条曲线和Bézier曲线的最小二乘拟合[J];计算机研究与发展;2005年01期
4 李磊,刘晓东,罗轶先,秋林;基于控制点的玉米雄穗生长形态建模[J];计算机工程与应用;2004年09期
5 刘晓东,罗轶先,郭新宇,秋林,李磊;基于NURBS曲面的玉米叶生长过程中的形态建模[J];计算机工程与应用;2004年14期
6 邓旭阳,周淑秋,郭新宇,苑春颖;基于Cardinal样条插值和三角面片的叶片静态建模[J];计算机工程与应用;2004年25期
7 杨娟,赵明,潘学标;基于NURBS曲面的棉花器官建模[J];计算机工程与应用;2005年30期
8 李云峰;朱庆生;古平;胡海清;;一种基于图像的植物器官重建[J];计算机工程与应用;2006年02期
9 邓青青;朱庆生;;果树单果生长建模方法研究[J];计算机工程与应用;2007年15期
10 毛卫强;潘云鹤;;植物三维建模方法综述[J];计算机科学;2000年06期
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 劳飞;朱玉业;;虚拟现实技术在农业中的应用[J];安徽农业科学;2007年14期
2 黄文岳;卢章平;;基于双尺度自动机的芦苇形态发生模型研究[J];安徽农业科学;2008年20期
3 胡林;周国民;丘耘;樊景超;王剑;;虚拟植物研究进展[J];安徽农业科学;2008年25期
4 潘德权;罗在柒;陈景艳;;银鹊树幼苗年生长节律研究[J];安徽农业科学;2008年28期
5 王彬;;基于L-系统果树根系的计算机模拟[J];安徽农业科学;2008年33期
6 刘宏伟;吴斌;;结合图像重建和L系统的虚拟水稻模型系统设计[J];安徽农业科学;2009年33期
7 熊俊涛;孙宝霞;钟南;;虚拟间作植物根系竞争生长的可视化系统研究[J];安徽农业科学;2010年24期
8 嵇晓雷;;分形理论应用于植物根系形态分布的研究进展及其应用前景[J];安徽农业科学;2010年25期
9 朱春娆;陈桂芬;苏恒强;;玉米生长动态模拟仿真系统的研究[J];安徽农业科学;2011年05期
10 范振岐;司春景;胡超越;李文华;;虚拟植物技术的研究综述[J];安徽农业科学;2012年01期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 陈郁淦;周学成;罗锡文;曹霞;乐凯;;基于ITK和VTK的原位根系三维可视化研究[A];中国农业工程学会2011年学术年会论文集[C];2011年
2 刘柯楠;杨启良;戈振扬;刘小刚;;一种基于图像的植物根系三维重建[A];中国农业工程学会2011年学术年会论文集[C];2011年
3 丁维龙;金胡俊;胡辰;;一种融合外力的番茄植株形变模拟算法[A];中国农业工程学会2011年学术年会论文集[C];2011年
4 王玉洁;李晓华;朱晓冬;廉世彬;聂娟;;虚拟桃树的可视化研究[A];都市型高等农业教育教学改革论文专辑[C];2007年
5 汤泽生;陈德灿;杨军;张先华;冯晓;常伟;赵家贵;江秀琼;于飞;;卫星搭载向日葵种子后花器官和小孢子变异的研究[A];节能环保 和谐发展——2007中国科协年会论文集(三)[C];2007年
6 林远芳;郑晓东;张冬仙;李海峰;刘向东;刘旭;;《光信息综合实验》课程的虚拟实验室建设规划[A];2006—2010年教育部高等学校光电信息科学与工程专业教学指导分委员会及协作委员会2009年全体会议论文集[C];2009年
7 戴小鹏;喻飞;黄璜;官春云;沈岳;;虚拟实验中虚拟植物的建模[A];2005年全国理论计算机科学学术年会论文集[C];2005年
8 杨珺;;基于虚拟植物生长模型的分布式农业专家系统研究[A];2006年全国开放式分布与并行计算机学术会议论文集(三)[C];2006年
9 李保国;刘忠;;数字农业与农业信息化发展的现状与趋势[A];中国数字农业与农村信息化学术研究研讨会论文集[C];2005年
10 赵泽英;彭志良;王海;;贵州进行精确农业应用研究的探讨[A];中国数字农业与农村信息化学术研究研讨会论文集[C];2005年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 王晓松;复杂背景下树木图像提取研究[D];北京林业大学;2010年
2 陈禄;基于显式表达的高效网格形变技术[D];浙江大学;2011年
3 张冬梅;离散曲线曲面的形状优化算法研究[D];浙江大学;2010年
4 舒振宇;网格曲面的分割算法及其应用[D];浙江大学;2010年
5 张阳;仿人眼的结构原理和关键视觉技术研究[D];浙江大学;2011年
6 贺夏蓉;多重视角下的女书及女书文化研究[D];华中师范大学;2011年
7 韩非;蓝莓机器视觉识别与标定技术研究[D];东北林业大学;2011年
8 杨靖民;利用模型对黑土条件下玉米生长和土壤碳氮循环的模拟研究[D];吉林农业大学;2011年
9 张湘玉;基于细分的曲线曲面变形技术研究[D];南京航空航天大学;2010年
10 孙进;非完备几何特征测量数据建模及其在颜面缺损修复中的应用研究[D];上海交通大学;2012年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 董格;模拟树木生长的综合力学方法研究[D];辽宁师范大学;2010年
2 毛晓捷;面向鞋楦自由曲面工件的柔性夹具设计方法研究与应用[D];浙江理工大学;2010年
3 汪安国;基于结构光的鞋底信息提取与机器人喷胶轨迹生成方法的研究[D];浙江理工大学;2010年
4 刘衍琦;图像驱动的网格变形及其在汽车造型中的应用[D];大连理工大学;2010年
5 王剑;基于格林坐标的直接操作变形方法[D];大连理工大学;2010年
6 王芸芸;植物器官精细建模与可视化[D];大连理工大学;2010年
7 乔桂新;基于NURBS的植物曲面建模及其应用[D];大连理工大学;2010年
8 王曦;合肥市四种落叶阔叶树种生长模型的研究[D];安徽农业大学;2010年
9 席旭东;黄芪种苗分级移栽生长发育特性及采收期研究[D];甘肃农业大学;2010年
10 段金辉;加工番茄番茄红素快速检测、积累特性模型及其肥料效应研究[D];甘肃农业大学;2010年
【同被引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 包雪梅;周海廷;;水稻拔节至抽穗期叶片着生状态的数学模型模拟比较研究[J];安徽农业科学;2008年10期
2 黄文岳;卢章平;;基于双尺度自动机的芦苇形态发生模型研究[J];安徽农业科学;2008年20期
3 胡林;周国民;丘耘;樊景超;王剑;;虚拟植物研究进展[J];安徽农业科学;2008年25期
4 李言俊,高阳;仿生技术及其应用[J];安阳工学院学报;2005年01期
5 王昊鹏,贾新宇;基于IFS算法的植物动态仿真的研究[J];长春工程学院学报(自然科学版);2005年02期
6 刘旺玉,曾志新,欧元贤,魏勤学;复合材料多尺度仿生方法的研究[J];材料导报;2002年12期
7 邱建国;张建国;李凯;;基于Harris与Sift算法的图像匹配方法[J];测试技术学报;2009年03期
8 孙红敏;郑萍;张继成;;大豆叶片生长特征的动态模拟研究[J];东北农业大学学报;2007年04期
9 王兴波;;支持可重构计算的满二叉树中序存储策略及快速遍历算法[J];佛山科学技术学院学报(自然科学版);2011年01期
10 王良;曾兰玲;;基于分形三维菊花建模算法[J];辽宁工程技术大学学报;2007年03期
中国博士学位论文全文数据库 前9条
1 宋有洪;玉米生长的生理生态功能与形态结构并行模拟模型[D];中国农业大学;2003年
2 王锡平;玉米冠层光合有效辐射三维空间分布模型的构建与验证[D];中国农业大学;2004年
3 李云峰;叶图像提取研究及虚拟植物可视化实现[D];重庆大学;2005年
4 王长波;基于物理模型的自然景物真实感绘制[D];浙江大学;2006年
5 宋成芳;动态植物场景的建模与仿真研究[D];浙江大学;2007年
6 江山;多尺度有限元方法的一些研究及应用[D];湘潭大学;2008年
7 陆声链;植物行为特性建模及可视化仿真技术研究[D];上海交通大学;2008年
8 刘骥;植物生长模拟与可视化研究[D];重庆大学;2009年
9 屈洪春;虚拟植物智能生理引擎及关键技术研究[D];重庆大学;2009年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 许允催;基于器官变形的植物生长建模研究[D];重庆大学;2010年
2 胡秀珍;梨树枝干模型构建与三维实现[D];中国科学技术大学;2011年
3 黄艳峰;植物形态的分形模拟[D];西北工业大学;2004年
4 胡海清;虚拟植物生长建模可视化技术研究[D];重庆大学;2004年
5 雷蕾;黄瓜生长和模拟的可视化研究[D];首都师范大学;2005年
6 周春江;基于L系统的虚拟植物生长的模拟研究[D];重庆大学;2005年
7 施干卫;基于环境敏感的植物动态生长模型研究[D];浙江工业大学;2006年
8 胡少军;越冬前期小麦生长可视化技术研究[D];西北农林科技大学;2006年
9 崔梅英;芦苇茎叶生长模型及其可视化研究[D];江苏大学;2007年
10 梁瑛;大豆虚拟生长模型的构建及约束方法的研究[D];东北师范大学;2007年
【二级引证文献】
中国期刊全文数据库 前4条
1 万震;赵海钧;刘洁;马福军;;甘肃宝积山盆地上三叠统舌叶属化石形态模型建立初探[J];甘肃地质;2013年02期
2 王静文;刘弘;;基于B样条曲线的植物叶片几何建模[J];计算机应用研究;2013年05期
3 方慧;杜朋朋;胡令潮;何勇;;基于可视化类库的植株三维形态配准方法及点云可视化[J];农业工程学报;2013年22期
4 刘刚;司永胜;冯娟;;农林作物三维重建方法研究进展[J];农业机械学报;2014年06期
中国博士学位论文全文数据库 前1条
1 李春友;农林复合系统中核桃冠层结构动态模拟研究[D];中国林业科学研究院;2012年
中国硕士学位论文全文数据库 前6条
1 张明艳;紫花苜蓿生长模拟模型及可视化研究[D];甘肃农业大学;2012年
2 王静文;基于表型特征的植物叶片建模方法研究[D];山东师范大学;2013年
3 万震;山杨叶片化石叶形与古环境关联性分析[D];兰州大学;2013年
4 颜君萍;林分生长三维建模及动态模拟[D];中南林业科技大学;2013年
5 吴华锋;棕榈科植物结构力学性能研究与风力机仿生[D];华南理工大学;2013年
6 胡令潮;基于VTK的植物叶片点云信息处理方法的研究[D];浙江大学;2013年
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 祁大勇,韩月秋;一种快速图象中值滤波算法[J];北京理工大学学报;1996年04期
2 朱庆生,王茜,傅鹤岗,吴中福;基于文档分割的图像兴趣域检测及编码方法[J];电子学报;2002年S1期
3 刘文予,李华,张江山,朱光喜;基于形态变换的非刚体运动及变形的新方法及其应用[J];高技术通讯;2000年12期
4 李华,朱光喜,朱耀庭,刘文予;一种新的应用于凹体渐变的广义形态变换方法[J];华中科技大学学报;2001年09期
5 刘文予,朱光喜;汉字字形的凸剖分变形及合成[J];计算机研究与发展;2000年02期
6 刘晓东,蒋立华,赵军军,刘海岩;基于Bezier曲线的植物形态建模和显示[J];计算机工程与应用;2002年13期
7 蒋立华,秦雪,刘晓东,刘归荣;用OpenGL实现纹理自动生长[J];计算机工程与应用;2003年09期
8 熊海桥,蒋立华,李磊,刘晓东;基于图像图形相结合的植物叶子动态生长显示[J];计算机工程与应用;2003年20期
9 刘晓东,罗轶先,郭新宇,秋林,李磊;基于NURBS曲面的玉米叶生长过程中的形态建模[J];计算机工程与应用;2004年14期
10 邓旭阳,周淑秋,郭新宇,苑春颖;基于Cardinal样条插值和三角面片的叶片静态建模[J];计算机工程与应用;2004年25期
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 平桅;傅鹤岗;刘骥;;基于多分辨率的纹理合成加速算法[J];计算机工程;2009年18期
2 丁维龙;陈敏智;程志君;;植物器官可视化建模系统的设计与实现[J];浙江工业大学学报;2009年03期
3 肖伯祥;郭新宇;吴升;温维亮;陆声链;;植物三维形态交互式设计软件需求分析探讨[J];中国农业科技导报;2011年01期
4 文榕生;从“孢粉学”看文献分类法的类目疏漏[J];图书馆工作与研究;2001年01期
5 陆声链;赵春江;郭新宇;李长峰;乔晓军;;基于物理的植物器官实时变形模拟[J];系统仿真学报;2008年24期
6 刘骥;朱庆生;曾令秋;李松阳;;基于虚拟器官的植物可视化[J];系统仿真学报;2010年10期
7 左丹霞;聂敏;周梦亮;;基于L系统虚拟植物生长模型的研究[J];农业网络信息;2008年05期
8 唐卫东;李萍萍;卢章平;;基于Open-L系统的植物结构功能模型研究[J];计算机应用研究;2007年03期
9 李云峰;朱庆生;傅鹤岗;古平;;基于L系统改进的虚拟植物原型系统设计[J];计算机应用研究;2006年08期
10 章谦元;丁维龙;古辉;;基于广义柱面和线性插值的植物茸毛模拟[J];计算机工程;2009年19期
中国重要会议论文全文数据库 前3条
1 林晓穗;曾庆茂;朱同林;;基于骨架提取的植物三维建模和生长模拟系统[A];第十五届全国图象图形学学术会议论文集[C];2010年
2 胡少军;;叶片与花瓣边缘波纹分形图样的可视化模拟[A];中国农业工程学会2011年学术年会(CSAE 2011)论文摘要集[C];2011年
3 贾虎森;杨兴洪;邱念伟;卢从明;梁峥;;脱落酸对玉米幼苗光抑制的影响[A];中国植物生理学会全国学术年会暨成立40周年庆祝大会学术论文摘要汇编[C];2003年
中国重要报纸全文数据库 前8条
1 本报记者 栗弘儒;从小做起 成就绿洲[N];中国高新技术产业导报;2001年
2 张田勘;安全转基因食品让人类安心[N];大众科技报;2001年
3 张田勘;揭开植物生长的奥秘[N];河北日报;2001年
4 ;科技和风险投资让壳寡糖先行[N];科技日报;2002年
5 记者 袁正洪 袁志国;“千年何首乌”频频现身,还分公母[N];新华每日电讯;2005年
6 袁长焕;黑龙江绿化树死之谜[N];中国气象报;2010年
7 ;科技让壳寡糖先行 壳寡糖让企业行先[N];中国高新技术产业导报;2002年
8 庆城县农业技术推广中心 王本辉;阴雨天黄花菜花蕾保蕾延迟晒蒸技术[N];陇东报;2011年
中国博士学位论文全文数据库 前2条
1 展志岗;植物生长的结构—功能模型及其校准研究[D];中国农业大学;2001年
2 李扬彦;基于点云的三维重建与形变事件分析[D];中国科学院深圳先进技术研究院;2013年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 王芸芸;植物器官精细建模与可视化[D];大连理工大学;2010年
2 席海灵;皇甫川流域植物的营养动态与生态化学计量学研究[D];内蒙古大学;2009年
3 黄雅娟;兰州市植物稳定碳同位素组成特征及其影响机理[D];兰州大学;2009年
4 许允催;基于器官变形的植物生长建模研究[D];重庆大学;2010年
5 张立磊;苹果树可视化造型研究[D];东华理工大学;2012年
6 张海鹏;植物花朵开放虚拟方法与技术研究[D];西北农林科技大学;2012年
7 吴文美;基于L-systems的植物功能结构生长模拟研究[D];北京林业大学;2013年
8 罗大江;虚拟植物果实的三维建模研究[D];重庆大学;2010年
9 景康康;牛角花齿蓟马(Odontothrips loti)为害对苜蓿同化产物及矿质元素分配的影响[D];甘肃农业大学;2013年
10 陈演;虚拟植物及其器官的可视化建模技术研究[D];湖南农业大学;2012年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62791813
  • 010-62985026