小麦生长可视化关键技术研究

【摘要】虚拟作物将农业科学和信息技术相结合,应用计算机模拟作物的器官、个体、群体在计算机上的生长发育情形,对现实作物的形态结构生成逼真的三维植物个体或群体模型,有着重要的研究意义和广阔的前景。本研究以小麦为对象,基于已有的小麦结构功能模型及可视化系统,研究小麦器官的几何建模技术、真实渲染制技术以及个体和群体的碰撞检测技术,进而基于VC++和OpenGL库,研究小麦可视化中光照阴影渲染技术,并设计和实现了器官、个体和群体的碰撞检测和响应算法,研究结果为虚拟小麦研究提供了技术支持。光照是小麦生长发育最具有影响力的环境因子,在阳光下小麦总会在自身或地面或其他小麦叶片的器官上投下斑驳的阴影,是小麦十分重要的视觉特征。本文对小麦阴影的生成及绘制技术进行了研究,并针对使用NURBS曲面对小麦进行建模的方法的特点,在传统的阴影映射算法基础上,采用深度偏移的方法解决无法生成正确的小麦叶片阴影图以及自遮挡的问题,基于GPU以及百分比靠近滤波实现了对小麦软阴影的模拟。分析了当前阴影算法的适用性,提出使用深度偏移来解决生成小麦阴影图时的光斑现象,比较了应用传统阴影贴图法与基于GPU和百分比靠近滤波的软阴影对小麦阴影的生成效果,以及不同滤波核对生成小麦阴影效果的影响。针对小麦器官在组装成个体过程中的交叉现象,设计并实现基于包围体层次树技术和碰撞检测算法。对于小麦的不同器官,本方法先利用OpenGL对叶片的NURBS曲面进行分格化,利用获取三角形数据,对所有三角形构建包围体层次树结构,以包围体的相交检测结果来判定三角形是否相交,最后判定叶片是否相交；对较为直立的茎秆和麦穗以其形态参数构建单个包围体,同样利用分离轴定理来判定其相交状况；对小麦植株单茎,以不同器官的最大包围体为根节点,使用最长轴分割法建立单茎的包围体层次树进行不同单茎之间的碰撞检测；对小麦植株群体使用四叉树空间分割法来分割不同单茎所在的空间位置,减少单茎之间的相交检测。最后,对叶片使用不同的包围体层次树算法进行了分析比较,并对发生碰撞检测的器官和个体实现了有效的碰撞响应机制。实例分析表明,本算法可有效地应用于小麦个体和群体可视化中,对于提高小麦形态可视化的真实感具有重要意义。
【作者】宋伟国；
【导师】朱艳；
【作者基本信息】南京农业大学，计算机应用技术，2013，硕士
【关键词】小麦；虚拟作物；碰撞检测；软阴影；可视化；

【参考文献】
[1]马静.基于路径映射的图相似性计算方法研究[D].辽宁大学,计算机软件与理论,2012,硕士.
[2]邓宇峰,周涛发,袁峰,郭旭吉,张达玉,许超,李鹏.西准噶尔阔尔真阔腊金矿区玄武安山岩锆石U-Pb年龄及其地质意义[J].地质学报,2014,05:883-894.
[3]邵士靖.极化表面有序水的结构、能量和氢键弛豫时间[D].中国科学院研究生院（上海应用物理研究所）,粒子物理与原子核物理,2014,硕士.
[4]黄克靖,孙俊永,吴莹莹.荧光光度法结合固相萃取测定亚硝酸盐[J].信阳师范学院学报(自然科学版),2012,01:99-102.
[5]阚侃.NO在碳纳米管修饰电极上的电氧化研究[D].黑龙江大学,2009.
[6]郭媛媛.新型铝离子、氰根离子荧光探针的设计合成及性质研究[D].兰州大学,无机化学,2013,硕士.
[7]左传金.基于GIS的水环境评价决策支持系统[D].沈阳工业大学,2004.
[8]邢超.轰炸机光电对抗仿真技术研究[D].西北工业大学,导航、制导与控制,2004,硕士.
[9]王雨.电子产品软体重置项目管理研究[D].西南交通大学,工商管理,2012,硕士.
[10]陈祺.基于GA-BP神经网络的高校实验室安全评价研究[D].厦门大学,软件工程,2014,硕士.
[11]王雪梅.跨国公司顾客盈利能力管理[D].东北财经大学,国际贸易学,2003,硕士.
[12]朱婷钰.琵琶弹挑技法的音色变化之研究[D].中央音乐学院,琵琶,2012,硕士.
[13]叶葳.虚拟化技术在传媒云中的应用研究[D].华南理工大学,计算机技术,2012,硕士.
[14]邢秀丽.壳聚糖与羧甲基纤维素钠的复凝聚及其微囊的制备[D].黑龙江大学,有机化学,2013,硕士.
[15]田力.公民参与和监督司法主要途径探究[D].山东大学,法律（专业学位）,2012,硕士.
[16]孙庆,吴宏鑫,解永春.一种基于对象特征的自适应模糊控制[J].自动化学报,1999,01:125-129.
[17]刘辉.One Prime购物中心发展定位研究[D].华东理工大学,工商管理（专业学位）,2014,硕士.
[18]自正法,张波.转型期刑事冤案的预防机制探讨[J].云南警官学院学报,2014,05:95-102.
[19]梁江.大豆异黄酮配伍叶酸对环磷酰胺诱导大鼠神经管畸形的干预研究[D].山西医科大学,营养与食品卫生学,2003,硕士.
[20]郝军.西门子ICM进入中国市场方式的研究[D].西安理工大学,工商管理,2004,硕士.
[21]武瑛.经济欠发达地区政府主导型慈善探索[D].西南交通大学,公共管理（专业学位）,2014,硕士.
[22]何玲.英汉动结构式增效对比研究[D].复旦大学,英语语言文学,2013,博士.
[23]何勇.反义PG基因植物表达载体的构建及对河套蜜瓜的转化[D].内蒙古农业大学,果树学,2004,硕士.
[24]刘利利.单味中药脱色及复方含药血清对体外培养人A375黑素瘤细胞黑素代谢影响的研究[D].南方医科大学,中西医结合临床,2012,硕士.
[25]张青竹.淋巴瘤组织中EBV即刻早期基因BRLF1多态性检测与分析[D].青岛大学,病原生物学,2013,硕士.
[26]杨国亮.荸荠秆枯病病原分子鉴定、发生规律及防治技术研究[D].华中农业大学,植物病理学,2014,硕士.
[27]贾斌.我国工程施工项目质量管理评价研究[D].吉林大学,项目管理,2012,硕士.
[28]丛屾,沈捷,向峥嵘.具有状态时滞的切换随机系统的指数稳定条件[J].控制与决策,2012,12:1885-1889.
[29]肖健.高维大规模统计推断及其在基因组数据中的应用[D].东北师范大学,概率论与数理统计,2014,博士.
[30]许星.鄂尔多斯盆地南梁西区三叠系延长组长8油层组储层特征研究[D].西北大学,矿物学、岩石学、矿床学,2013,硕士.
[31]贺俊斌.隧道三维自动建模与可视化的研究[D].西安科技大学,大地测量学与测量工程,2013,硕士.
[32]洪丹.泰国马来人民族认同和国家认同变化及其政策原因分析[D].华中师范大学,国际政治,2014,硕士.
[33]李捷.安徽省六安市城市老年妇女体育生活化现状的研究[D].安徽工程大学,体育人文社会学,2012,硕士.
[34]刘晓玲.初中英语文化教学探讨[D].西南师范大学,2004.
[35]毛凯.组式高压电场测量和安全距离报警系统研究[D].重庆大学,电气工程（专业学位）,2014,硕士.
[36]夏庚.新疆南疆地区城镇化与区域农业可持续发展的关系研究[D].塔里木大学,农村与区域发展,2013,硕士.
[37]黄雪丽.农家书屋为什么不姓“农”[D].华中师范大学,农村区域发展,2013,硕士.
[38]鲁智英.肠缺血对新生鼠仔肝脏影响的研究[D].大理学院,儿科学,2013,硕士.
[39]于静.miR-20a/106b对成肌细胞增殖和分化作用的研究[D].华中农业大学,生物化学与分子生物学,2014,硕士.
[40]郑莹.中西戏剧中的悲喜剧结构[D].浙江大学,英语语言文学,2014,硕士.
[41]阿力木江·阿巴拜克力.新西兰《提升一为成功而努力：毛利人教育战略规划2008-2012》研究[D].西南大学,比较教育学,2014,硕士.
[42]王湘,张晓红,乔金樑.石墨烯及其聚合物复合材料[J].高分子通报,2012,03:38-44.
[43]宋娟.列车通信系统信道复用技术的研究[D].北京交通大学,2012.
[44]代伟.基质金属蛋白酶-9基因rs17577多态性与脑梗死的相关性研究[D].青岛大学,神经病学,2013,硕士.
[45]杨艳.完善我国寿险业偿付能力监管体系的研究[D].湖南大学,金融学,2003,硕士.
[46]李鹏翠.MicroRNA-1通过抑制HDAC4调控软骨细胞表型研究[D].山西医科大学,骨外学,2014,博士.
[47]陈默.金融发展与经济增长理论的演进及对我国的实证分析[D].暨南大学,2001.
[48]刘萍.纳米银和黄酮相互作用研究及分析应用[D].山东大学,分析化学,2013,硕士.
[49]何月.嵌入视角下社会组织参与社区治理研究[D].华中科技大学,行政管理,2013,硕士.
[50]王晔.铜川油页岩单独热解及共热解特性研究[D].西北大学,能源化工,2014,硕士.