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梨树枝干模型构建与三维实现

胡秀珍  
【摘要】:虚拟植物是近年来随着信息技术及计算机技术的快速发展而兴起的新的研究领域,是建立在计算机图形学、植物学、数学以及虚拟现实技术等多门学科基础之上的交叉学科。虚拟植物建模是指应用虚拟现实技术以植物的形态结构为研究对象在计算机上模拟植物在三维空间的生长过程,它可以在很短时间内模拟整株甚至整群植物的整个生命周期,不必用很长的时间实地种植作物,节省了时间和人力,同时也节省了费用,为植物的生长研究提供了快捷直观的科学研究方法。而L系统因其对真实植物的形态结构具有强大的模拟能力,已成为虚拟植物建模的重要工具。与其他方法相比,L系统能够实现不同类型植物的模拟,其形式语言方法具有坚实的数学理论基础。 虚拟果树枝干模型的建模对虚拟果树生长的研究着重要的影响,其表达是虚拟建模系统中一个主要研究内容。自上世纪下半叶至今,研究者构建了多种树木枝干模型,但针对果树不同树形的结构目前并没有进行深入研究。为了真实的模拟果树枝干形态,本文提出形态特征信息和参数L系统相结合的果树枝干可视化方法。以梨树的树体结构为研究对象,提炼其相关的形态结构特征以及生态生理等特性变化;应用L系统建模方法对梨树建立包含树枝的粗细、分叉角度等细节信息的模型;最后使用OpenGL三维建模技术将梨树生长几何信息转化为直观的三维可视化图形信息,模拟出梨树常见树形(自然开心形、主干疏层形、小冠疏层形、纺锤形)的基本形态结构,为开发梨树整形修剪计算机仿真系统奠定基础。本文研究工作具体描述如下: 1.基于L系统的虚拟果树建模方法研究 结合梨树的生长模式、分枝方式等生长知识,深入研究L系统理论及其算法,确定描述梨树形态结构的总体框架;针对梨树各种树形的形态结构特征,提取基于L系统的梨树形态规则,建立梨树虚拟枝干模型。 2.基于规则模型的三维可视化输出 在Windows操作系统中,以Visual C++和OpenGL图形库为开发环境,使用开放式图形库OpenGL作为渲染工具,对建立的规则模型进行三维真实感渲染、视角变换、显示缩放、光照设置等,最终完成模型的可视化输出。


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