三维植物模型交互式设计与可视化研究论文

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1、三维植物模型交互式设计与可视化研究毕业论文目录摘要IAbstractII目录IV第一章引言11.1研究背景11.2国内外研究现状11.2.1静态模型21.2.2动态模型21.3问题的提出41.4本文研究的主要内容41.5关键问题及解决方法51.6技术路线61.7论文的组织结构6第二章植物器官和植株的几何建模与可视化92.1引言92.2油菜主要器官几何模型构建92.2.1油菜叶的几何造型102.2.2油菜茎秆建模122.2.3油菜花序建模132.3草莓主要器官几何模型构建172.3.1草莓茎和叶柄的几何建模182.3.2草莓叶片的几何建模182.3.3草莓花的几

2、何建模202.3.4草莓果实的几何建模212.3.5草莓植株细节描述222.4植株三维模型建模232.4.1油菜植株模型232.4.2草莓植株模型262.5小结27第三章基于拉普拉斯变形的植物模型交互式设计293.1曲面变形的基本知识293.1.1自由曲面变形293.1.2多分辨率303.1.3微分域网格变形303.2拉普拉斯变形313.2.1拉普拉斯坐标313.2.2Laplacian变形系统323.3基于拉普拉斯变形的三维植物模型交互设计333.3.1叶片曲面的交互设计333.3.2茎类器官网格曲面的交互设计353.4小结36第四章油菜与草莓交互设计与可视

3、化软件系统的设计与实现394.1需求分析394.2系统分析404.2.1模板库404.2.2器官几何模型库414.2.3人机接口414.3系统开发与设计424.3.1系统开发424.3.2可视化424.4系统运行424.5小结49第五章总结与展望515.1论文总结515.2进一步的研究展望525.2.1植物模型改进525.2.2方法改进525.2.3系统改进与功能完善525.3小结53参考文献55攻读硕士学位期间发表的学术论文61致谢63第一章引言当前，随着计算机图形学的发展与农业知识的创新，虚拟现实技术在农业领域中得到了广泛应用，以三维可视的方式分析、研究和

4、设计农业植物的形态结构和生长过程得到了越来越多的关注，并逐渐成为一个新的研究课题——数字植物[1]。数字植物不仅对传统农业的生产与发展产生了广泛的影响，也在数字娱乐、科普教育和计算机动画等方面具有重要的研究意义和应用价值。1.1研究背景目前，植物形态建模是计算机学研究领域中的一个研究热点，它将植物生理学、计算机图形学、人工智能、虚拟现实、作物栽培学等多学科结合起来，伴随着计算机硬件技术和图形算法的发展以及人们对植物生长机理的认识逐步加深而不断发展起来。这一研究在农业科研和教学、生态环境和病虫害管理、景观设计、科普教育、计算机动画等方面都具有重要的研究意义和应用

5、价值。植物形态建模不仅模拟植物在正常条件下的形态特征，同时也需模拟植物在胁迫条件下的形态响应，即植物的“真实”三维形态结构，并最终实现植物的结构和功能的并行模拟。在植物的真实感建模过程中，往往需要考虑较多的因素和问题，如植株与环境之间的相互影响、植物模型的实时计算和绘制、植株整体形态与各个器官的多样性，等等。在过去的几十年中有关植物的静态模型、动态模型的创建以及植物交互式设计等方面的研究均取得了很大的进展，然而数字植物的研究方法并不局限于个体水平的研究和应用，也适用于其他尺度和水平上的植物研究[2]，例如植物的多样性、单个植物之间的多样性以及植物群体建模等。1

6、.2国内外研究现状数字植物研究是一个多学科融合的领域，由于研究者知识背景、目的和应用的不同，其侧重点和方法都具有一定的差异性。总体而言，按照建模的方法和目的的不同可将数字植物模型分为静态模型和动态模型[2]。1.2.1静态模型所谓静态模型，是指针对某一种植物，采用三维数字化或三维扫描仪获取其特定时期的数据后直接用于构造植物该时期的特定形态模型，模型可用于研究特定时期植物空间结构的相关性质等。Smith[3]等人依据测量数据，实现了猕猴桃果实与藤蔓形态结构的三维重建，并据此分析了植株空间规律与果实的相关关系。Ivanov等人与Andrieu[4]等人根据获取的数

7、据，创建了玉米冠层的三维模型，进行玉米群体光传输的虚拟实验。同时，随着计算机技术和图形学算法的发展，越来越多的方法被相继提出来，用于创建植物的静态模型。基于图像的建模和绘制技术[5][6]主要采用了照相机在不同角度获取的植物图像序列，之后基于计算机视觉和图像分析技术，在空间中将这些图像组织成可重复使用的数据。Xuhui等人[7]采用带深度的数字扫描仪同时获得了树木的离散数据和局部细节特征，之后重建了树木的三维静态模型。以上方法均可以创建植物的静态模型，且模型具有较强的真实感，然而，创建模型往往需要大量的采集植物数据和数据的预处理，具有算法实现复杂、效率低等缺点

8、。近年来不少研究者提出了基于草图(Sk