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植物器官精细建模与可视化

王芸芸  
【摘要】: 随着虚拟现实技术和计算机图形学的发展,利用计算机虚拟现实世界成为热门课题。而种类繁多的植物是构成自然景物的基础,因此,虚拟植物成为当今计算机图形学领域的研究热点之一。由于植物结构复杂、形态多样,使得图形学技术在该领域面临许多挑战,并随着计算机软硬件处理海量数据能力的提高,呈现两个主要的发展趋势:是宏观方向的发展,表现为范围大、复杂度高的场景实时绘制,涵盖海量数据的存储、优化;另一个重要趋势是微观方向的发展,表现为构建的虚拟植物的模型尺度的加细,从单个植株逐渐深入到植物器官或更小尺度的几何造型,应用于精确模拟植物的真实生理过程。本文从微观角度出发,对植物精细建模概念进行详细阐述,将烟草作为主要的研究对象,就如何构建精细的植物器官模型、实现从器官到植株的可视化模拟进行了探讨。 为实现植物器官的精细建模与可视化,本文以烟草为例,提出了基于结构骨架和参数的器官交互式建模方法,对烟草叶片、花朵进行细节模拟。在叶片建模过程中,通过分析烟草叶片的形态结构,将脉序作为结构骨架,利用三维数字化仪获取烟草叶片脉序和边缘主要形态特征点,综合球B样条曲线和插值样条曲面实现了烟草叶片的三维重建和真实感显示。在花朵建模方面,针对烟草单花花冠联合的特点,提出了基于球B样条曲线和参数曲面的单花建模方法,提取了模型控制参数,实现了多个开花状态的仿真;针对烟草花序为聚散花序的特点,提出了一种基于分形系统的植物花序可视化仿真方法,通过构造初始分形单元,以仿射变换为基本框架,按照一定的迭代生成算法,建立了烟草花序结构与几何模型,实现了花序生长模拟。最后,根据整个植株的拓扑结构,完成植株模型的初步建立。可视化结果表明,该方法建立各模型都有较高的真实感,为农学研究者提供便捷的烟草可视化研究平台。


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