農(nóng)林植物生長(zhǎng)系統(tǒng)虛擬設(shè)計(jì)與仿真

前言

　　數(shù)字植物是數(shù)字農(nóng)（林）業(yè)的重要內(nèi)容。開(kāi)展數(shù)字植物研究，應(yīng)用數(shù)字技術(shù)對(duì)農(nóng)林植物及其生長(zhǎng)環(huán)境進(jìn)行三維形態(tài)的交互設(shè)計(jì)、幾何重建和生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程的可視化表達(dá)，進(jìn)而形象生動(dòng)地再現(xiàn)各種條件變化對(duì)農(nóng)林植物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程和生產(chǎn)目標(biāo)的影響，幫助人們進(jìn)行三維可視交互分析、科學(xué)計(jì)算和預(yù)見(jiàn)性地決策，對(duì)農(nóng)林生態(tài)系統(tǒng)調(diào)控、超高產(chǎn)作物株型設(shè)計(jì)、科學(xué)管理措施制定和農(nóng)林科技教育培訓(xùn)等具有重要理論和實(shí)際價(jià)值。　　數(shù)字植物是農(nóng)（林）業(yè)信息學(xué)的重要研究方向。國(guó)際上從農(nóng)林植物的細(xì)胞、組織、器官、個(gè)體、群體和生態(tài)系統(tǒng)等不同尺度開(kāi)展了廣泛研究，在理論方法體系、關(guān)鍵技術(shù)、專(zhuān)用設(shè)備和應(yīng)用實(shí)踐上取得了突破性進(jìn)展。我國(guó)對(duì)數(shù)字植物的研究始于20世紀(jì)90年代，在農(nóng)業(yè)信息化高速發(fā)展的大背景下，特別是隨著現(xiàn)代信息手段的不斷提升，數(shù)字植物的研究應(yīng)用快速發(fā)展，在典型農(nóng)林植物形態(tài)設(shè)計(jì)、高產(chǎn)株型分析等方面取得了一批重要成果。但我國(guó)數(shù)字植物的研究與國(guó)際同類(lèi)研究相比還有一定差距，今后需要進(jìn)一步加強(qiáng)數(shù)字植物的系統(tǒng)性、原創(chuàng)性和基礎(chǔ)性研究，注意引進(jìn)先進(jìn)的研究方法和技術(shù)手段，不斷提高科學(xué)研究水平；同時(shí)要努力提高研究成果的實(shí)用性，切實(shí)解決農(nóng)林業(yè)發(fā)展中的實(shí)際問(wèn)題?！　?guó)家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心是國(guó)內(nèi)較早開(kāi)展數(shù)字植物技術(shù)研究的單位之一，組建了由農(nóng)學(xué)、計(jì)算機(jī)圖形圖像和計(jì)算數(shù)學(xué)等專(zhuān)業(yè)人員組成的優(yōu)秀科研團(tuán)隊(duì)，在國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目等的支持下，開(kāi)展了扎實(shí)、富有成效的工作。針對(duì)國(guó)內(nèi)外數(shù)字植物研究現(xiàn)狀和生產(chǎn)實(shí)際需求，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的研究方案，從基礎(chǔ)研究做起，引入現(xiàn)代研究手段，經(jīng)過(guò)十年的努力，在農(nóng)林植物和環(huán)境三維形態(tài)建模、交互設(shè)計(jì)和可視化仿真技術(shù)方法方面取得了重要研究進(jìn)展，研究成果達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平?！掇r(nóng)林植物生長(zhǎng)系統(tǒng)虛擬設(shè)計(jì)與仿真》就是作者從事數(shù)字植物研究所取得成果的系統(tǒng)總結(jié)。　　《農(nóng)林植物生長(zhǎng)系統(tǒng)虛擬設(shè)計(jì)與仿真》具有較高的學(xué)術(shù)水平。該書(shū)提出了參數(shù)化植物器官建模方法，模型參數(shù)具有較明確的農(nóng)學(xué)意義，可根據(jù)作物品種特征或生長(zhǎng)模型生成；、提出了基于品種遺傳特征的植物三維形態(tài)交互式設(shè)計(jì)方法，為認(rèn)知品種特性、進(jìn)行株型育種和栽培提供了有效手段；通過(guò)引入基于物理的運(yùn)動(dòng)仿真技術(shù)，解決了植物萎蔫、向性運(yùn)動(dòng)的模擬問(wèn)題。此外，該書(shū)還探索了土壤孔隙及土體結(jié)構(gòu)三維建模方法等。　　《農(nóng)林植物生長(zhǎng)系統(tǒng)虛擬設(shè)計(jì)與仿真》采用大量的第一手實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和研究結(jié)果，內(nèi)容翔實(shí)、案例具體、系統(tǒng)全面，具有較強(qiáng)的實(shí)用性，對(duì)于從事數(shù)字植物和農(nóng)林植物生長(zhǎng)系統(tǒng)虛擬仿真研究的科技工作者具有較高的參考價(jià)值。

內(nèi)容概要

　　《農(nóng)林植物生長(zhǎng)系統(tǒng)虛擬設(shè)計(jì)與仿真》圍繞構(gòu)建數(shù)字植物理論技術(shù)體系開(kāi)展農(nóng)林植物生長(zhǎng)系統(tǒng)虛擬設(shè)計(jì)與仿真研究，主要包括植物形態(tài)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的采集、植物形態(tài)幾何建模和交互設(shè)計(jì)、三維植物模型的真實(shí)感繪制技術(shù)、植物生長(zhǎng)過(guò)程的可視化仿真、基于物理的植物變形和運(yùn)動(dòng)模擬、日光溫室和土壤結(jié)構(gòu)三維設(shè)計(jì)與展示、植物系統(tǒng)虛擬場(chǎng)景繪制和實(shí)時(shí)漫游等內(nèi)容?！　　掇r(nóng)林植物生長(zhǎng)系統(tǒng)虛擬設(shè)計(jì)與仿真》內(nèi)容翔實(shí)、案例具體、系統(tǒng)全面，具有較強(qiáng)的實(shí)用性和前瞻性，可作為農(nóng)業(yè)信息技術(shù)方向的高年級(jí)本科生和研究生的參考用書(shū)，也可供從事本方向的科研和工程技術(shù)人員參考使用。

書(shū)籍目錄

序前言第1章 緒論1.1 虛擬現(xiàn)實(shí)與虛擬農(nóng)業(yè)1.1.1 虛擬現(xiàn)實(shí)及其發(fā)展歷史1.1.2 虛擬農(nóng)業(yè)1.2 數(shù)字植物及其科學(xué)內(nèi)涵1.2.1 數(shù)字植物提出的背景1.2.2 數(shù)字植物的概念及內(nèi)涵1.2.3 數(shù)字植物的發(fā)展階段1.3 植物生長(zhǎng)系統(tǒng)的虛擬設(shè)計(jì)與仿真1.3.1 植物生長(zhǎng)系統(tǒng)虛擬設(shè)計(jì)與仿真的內(nèi)涵1.3.2 植物生長(zhǎng)系統(tǒng)虛擬設(shè)計(jì)與仿真的基本研究問(wèn)題1.3.3 植物生長(zhǎng)系統(tǒng)虛擬設(shè)計(jì)與仿真的主要技術(shù)與方法參考文獻(xiàn)第2章 植物形態(tài)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的采集2.1 基于圖像的數(shù)據(jù)采集2.1.1 植物三維形態(tài)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)采集2.1.2 植物器官顏色和紋理數(shù)據(jù)采集2.2 基于三維數(shù)字化的數(shù)據(jù)采集2.2.1 三維數(shù)字化儀的技術(shù)原理和應(yīng)用2.2.2 三維激光掃描儀的技術(shù)原理和應(yīng)用2.2.3 植物變形和運(yùn)動(dòng)的數(shù)據(jù)采集參考文獻(xiàn)第3章 植物形態(tài)幾何建模和交互設(shè)計(jì)3.1 計(jì)算機(jī)圖形建?；A(chǔ)知識(shí)3.1.1 多面體模型3.1.2 曲面模型3.1.3 應(yīng)用于植物形態(tài)模擬的主要曲面建模方法3.2 植物器官三維形態(tài)建模3.2.1 基于參數(shù)化的植物器官建模3.2.2 基于骨架的植物器官幾何建模3.2.3 基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的植物器官曲面建模3.3 植物形態(tài)結(jié)構(gòu)的交互式設(shè)計(jì)3.3.1 基于參數(shù)的植物器官三維形態(tài)交互式設(shè)計(jì)3.3.2 基于拉普拉斯的植物器官網(wǎng)格曲面交互設(shè)計(jì)3.3.3 基于交互式骨架模型的根系三維形態(tài)設(shè)計(jì)3.3.4 植物植株形態(tài)的交互式設(shè)計(jì) 3.4 三維植物造型的表面細(xì)節(jié)建模技術(shù)3.4.1 基于脈序骨架的植物葉脈幾何建模3.4.2 葉片鋸齒輪廓生成3.5 討論參考文獻(xiàn)第4章 基于圖像的植物形態(tài)三維重建4.1 概述4.2 圖像采集和三維信息獲取4.2.1 立體視覺(jué)4.2.2 相機(jī)標(biāo)定4.2.3 特征匹配4.2.4 三維信息的獲取4.3 植株三維形態(tài)測(cè)量與重建4.3.1 葉片的測(cè)量與建模4.3.2 植株骨架的提取與測(cè)量4.4 基于圖像的植物形態(tài)重建系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)4.4.1 相機(jī)標(biāo)定4.4.2 圖像處理4.4.3 模型顯示功能4.4.4 葉片重建4.4.5 植株骨架重建4.4.6 三維測(cè)量單元參考文獻(xiàn)第5章 三維植物模型的真實(shí)感繪制技術(shù)5.1 真實(shí)感圖形的基本概念5.2 光照處理5.2.1 局部光照模型5.2.2 面繪制模型5.2.3 全局光照5.2.4 OpenGL的光照模型及應(yīng)用5.3 紋理映射5.4 植物器官表觀顏色仿真5.5 植物造型表面絨毛生成5.5.1 絨毛分布的生成5.5.2 絨毛的幾何表示和放置5.5.3 參數(shù)控制5.5.4 結(jié)果示例和討論5.6 三維植物群體實(shí)時(shí)陰影生成5.6.1 rzpass算法5.6.2 陰影的實(shí)現(xiàn)過(guò)程5.6.3 陰影算法描述及效果圖5.7 植物冠層光分布計(jì)算模型及其應(yīng)用5.7.1 植物冠層光分布計(jì)算主要方法5.7.2 基于輻射度的作物冠層光分布計(jì)算系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)5.7.3 使用嵌入式輻射度算法進(jìn)行散射光效用評(píng)價(jià)參考文獻(xiàn)第6章 植物生長(zhǎng)過(guò)程的可視化仿真6.1 基于生長(zhǎng)模型的農(nóng)作物生長(zhǎng)可視化仿真6.1.1 玉米形態(tài)結(jié)構(gòu)及器官幾何模型構(gòu)建6.1.2 玉米形態(tài)模擬模型6.1.3 實(shí)例分析及模擬系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)6.2 基于關(guān)鍵幀的作物生長(zhǎng)三維動(dòng)畫(huà)模擬6.2.1 玉米骨架模型6.2.2 植株尺度模型上的參數(shù)關(guān)鍵幀技術(shù)6.2.3 器官尺度模型上的參數(shù)關(guān)鍵幀技術(shù)6.2.4 從骨架模型到植株模型6.2.5 結(jié)果與討論6.3 基于馬爾可夫模型的果樹(shù)枝條生長(zhǎng)仿真6.3.1 蘋(píng)果樹(shù)的分枝特性6.3.2 基于隨機(jī)過(guò)程的蘋(píng)果樹(shù)分枝模型的建立6.3.3 果樹(shù)形態(tài)發(fā)展的實(shí)時(shí)模型6.3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論參考文獻(xiàn)第7章 基于物理的植物變形和運(yùn)動(dòng)模擬7.1 概述7.2 基于質(zhì)點(diǎn)一彈簧系統(tǒng)的植物器官變形模型7.2.1 質(zhì)點(diǎn)一彈簧模型及其解法7.2.2 植物器官變形模型7.2.3 模擬結(jié)果和討論7.3 植物葉片卷曲和萎蔫過(guò)程模擬7.3.1 基本思想7.3.2 相關(guān)研究7.3.3 雙層質(zhì)點(diǎn)一彈簧系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的葉片運(yùn)動(dòng)模型7.3.4 基于雙層質(zhì)點(diǎn)一彈簧系統(tǒng)的葉片模型7.3.5 葉脈骨架驅(qū)動(dòng)的葉片變形模擬7.3.6 總結(jié)與討論7.4 園藝植物藤蔓攀援特性建模和攀援行為模擬7.4.1 相關(guān)工作7.4.2 植物攀援行為的基本知識(shí)7.4.3 藤蔓植物攀援行為模擬7.4.4 模擬結(jié)果和討論7.4.5 小結(jié)參考文獻(xiàn)第8章 植物系統(tǒng)虛擬場(chǎng)景繪制和實(shí)時(shí)漫游8.1 植物群體漫游中的碰撞檢測(cè)和處理8.1.1 基于空間散列法的虛擬植物碰撞檢測(cè)算法8.1.2 植物群體冠層實(shí)時(shí)碰撞處理8.2 雨雪天氣的實(shí)時(shí)模擬8.2.1 相關(guān)工作8.2.2 基于粒子系統(tǒng)的下雪模擬8.2.3 雪的堆積8.2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析8.3 虛擬溫室環(huán)境的實(shí)時(shí)漫游8.3.1 日光溫室LOD模型8.3.2 視點(diǎn)的漫游及碰撞檢測(cè)參考文獻(xiàn)第9章 植物三維形態(tài)交互式設(shè)計(jì)軟件的設(shè)計(jì)規(guī)范9.1 植物三維形態(tài)交互式設(shè)計(jì)軟件需求分析9.1.1 植物三維形態(tài)交互式設(shè)計(jì)任務(wù)目標(biāo)9.1.2 植物三維形態(tài)交互式設(shè)計(jì)軟件需求分析9.2 植物三維形態(tài)交互式設(shè)計(jì)軟件的評(píng)價(jià)指標(biāo)9.2.1 植物三維形態(tài)交互式設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)目標(biāo)9.2.2 植物三維形態(tài)設(shè)計(jì)功能評(píng)價(jià)指標(biāo)9.2.3 植物三維形態(tài)設(shè)計(jì)技術(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)9.2.4 綜合評(píng)價(jià)模型9.3 植物三維形態(tài)交互式設(shè)計(jì)軟件的設(shè)計(jì)模式與開(kāi)發(fā)規(guī)范9.3.1 植物三維形態(tài)交互式設(shè)計(jì)軟件的設(shè)計(jì)模式9.3.2 植物三維形態(tài)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)格式及數(shù)據(jù)庫(kù)9.3.3 植物三維形態(tài)交互式設(shè)計(jì)軟件功能模塊……第10章 農(nóng)作物生產(chǎn)場(chǎng)景虛擬仿真平臺(tái)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)第11章 農(nóng)林植物虛擬設(shè)計(jì)與仿真第12章 曝光溫室虛擬設(shè)計(jì)第13章 土壤結(jié)構(gòu)虛擬設(shè)計(jì)第14章 總結(jié)與展望彩圖

章節(jié)摘錄

　　體的表面進(jìn)行平穩(wěn)掃描，即可迅速得到該物體的三維形態(tài)。物體圖像可迅速出現(xiàn)在設(shè)備連接的計(jì)算機(jī)屏幕上，掃描結(jié)果將結(jié)合任一種重疊掃描方式進(jìn)行處理，從而顯著降低了開(kāi)發(fā)物體局部或非金屬物體模型表面的次數(shù)。內(nèi)部集成了FASTRAK技術(shù)，F(xiàn)astScan結(jié)合了方便的手持功能，可實(shí)時(shí)進(jìn)行三維模型的“自動(dòng)縫合”。掃描的數(shù)據(jù)可以很容易地被輸出到業(yè)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的圖形應(yīng)用程序：計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)、CAD設(shè)計(jì)、虛擬現(xiàn)實(shí)等。此外，F(xiàn)astScan還集成了數(shù)字化儀的功能，通過(guò)抑制數(shù)字化探筆，可以準(zhǔn)確地記錄隱蔽處的位置和方向。　　三維激光掃描技術(shù)在其他領(lǐng)域的成功應(yīng)用顯示了其在復(fù)雜物體三維形態(tài)獲取方面的突出技術(shù)優(yōu)勢(shì)，正如上面所說(shuō)，三維數(shù)字化儀為植物三維形態(tài)建模提供了有效手段，然而面對(duì)大規(guī)模精確數(shù)據(jù)獲取問(wèn)題仍存在較大局限性，這就促進(jìn)了三維激光掃描儀在植物建模領(lǐng)域的應(yīng)用?！　≈参锸翘摂M現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域的重要建模對(duì)象之一，特別是在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域和虛擬農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用中，對(duì)植物對(duì)象的真實(shí)感建模提出了更高的要求。植物的三維建模是虛擬植物的基礎(chǔ)，如何快速、準(zhǔn)確、有效地獲取植物的三維空間信息，成為植物三維建模首要解決的問(wèn)題（胡包鋼和趙星，2001）。現(xiàn)有的植物對(duì)象幾何建模方法大多基于手工測(cè)量數(shù)據(jù)和數(shù)字設(shè)計(jì)的手段（肖伯祥等，2007），傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集技術(shù)速度慢、精度低，在精確性和真實(shí)感上已經(jīng)難以滿足現(xiàn)代數(shù)字植物幾何建模的要求。而三維激光掃描測(cè)量技術(shù)克服了傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)的局限性，采用非接觸主動(dòng)測(cè)量方式對(duì)任意物體進(jìn)行掃描，能夠直接獲取高精度三維數(shù)據(jù)，且沒(méi)有晝夜的限制，快速將現(xiàn)實(shí)中的目標(biāo)靜態(tài)結(jié)構(gòu)信息轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可以處理的數(shù)據(jù)。它具有掃描速度快、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、精度高、主動(dòng)性強(qiáng)、全數(shù)字特征等特點(diǎn)，可以極大地節(jié)約時(shí)間，而且使用方便，其輸出格式多可直接在Polyworks、Cieomagic等軟件中進(jìn)行后期處理，因此，將三維激光掃描技術(shù)引入植物建模應(yīng)用中，為植物的形態(tài)結(jié)構(gòu)三維重建提供了一個(gè)全新有效的方法。高精度三維激光掃描儀在針對(duì)植物器官尺度目標(biāo)的建模中的應(yīng)用尚處于起步階段，針對(duì)作物器官的三維掃描、散亂點(diǎn)云數(shù)據(jù)快速重建等方面都有待于進(jìn)一步發(fā)展，研究適用于植物特性和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的散亂點(diǎn)云重建方法，實(shí)現(xiàn)基于散亂點(diǎn)云的虛擬植物模型包括植物主要器官模型和植物整體植株快速重建是一件很有意義的事情?！　≡谥参锶S建模中，高質(zhì)量的植物三維模型對(duì)于模型中控制點(diǎn)的提取、關(guān)鍵數(shù)據(jù)的測(cè)量、模型的簡(jiǎn)化和模型的參數(shù)化等有重要意義。盡管三維激光掃描技術(shù)為植物三維形態(tài)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)獲取提供了新的技術(shù)手段，然而，目前針對(duì)植物對(duì)象的掃描以及數(shù)據(jù)處理尚存在一些需要解決的問(wèn)題，主要體現(xiàn)在掃描儀特性與植物對(duì)象特性的匹配、植物對(duì)象的掃描方式和掃描程序、掃描的散亂點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理以及三角剖分等。本節(jié)將結(jié)合掃描實(shí)例對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行分析闡述，分別應(yīng)用三款不同類(lèi)型的激光掃描儀對(duì)植物形態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行掃描實(shí)驗(yàn)，分別以代表性的植物對(duì)象葉片為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，探索三維激光掃描技術(shù)在植物數(shù)據(jù)獲取與模型三維重建中的應(yīng)用，并且針對(duì)掃描實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)處理過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行分析，提出相應(yīng)的解決方案。　　……

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