虚拟植物叶片的可视化建模技术研究

福建电脑２０１０年第１期植物器官精细建模技术研究综述王伟斌（福建省空间信息工程研究中心福建福州３５０００２）【摘要】：本文在虚拟植物器官几何造型技术研究的基础上。

对植物体中器官尺度的精细建模技术进行重点研究．依据植物器官的不同特点，以植物体最重要的叶器官和果实器官为例。

综述了目前国内外主流的植物器官精细建模方法。

【关键词】：植物器官造型、自由曲线、精细建模１．引言目前，随着虚拟植物理论及技术研究的不断深人．虚拟植物应用领域的不断扩大，虚拟植物逐渐朝着两个重要的趋势发展．一是朔着大范围、高复杂度的大场景实时绘制方向发展．例如实时绘制复杂度高的森林场景．场景中涉及到的树木种类繁多．形态变化剧烈１１１．这对场景实时绘制效率和场景图形的层次细节模型（ＬＯＤ）显示都有很高的要求１２－３１。

另一个重要趋势就是组成植物体的器官尺度模型，例如植物的茎、叶、果实、花等器官的建立越来越朝着精准度高的方向发展ｆ蝴，即虚拟植物器官建模粒度越来越小．所建器官模型越来越精细．与植物的生理生态过程结合程度越来越高，能够越来越精确模拟植物的真实生理过程，然而．目前的虚拟植物研究中．涉及器官尺度的建模研究还处于起步阶段．困内外对植物器官进行有精确定义的儿何造型及形变的研究还不多见阐。

凶此．本文以植物器官精细建模技术为主要研究对象，针对目前研究力度不够深人的精细器官建模．展开研究。

以期能够减少外业实地测量的工作强度．缩短研究周期，节省人力物力，以实现农林业生产的可持续发展Ｆ＿哪．为将来制订合理的农林业技术措施，增加作物产量。

平衡周年供应，指导整形修剪等提供重要的可视化工具ｌ蜘１。

２．主要器官建模关键技术虚拟植物器官几何建模技术大致经历了三个主要的发展过程。

第一个阶段称之为传统的几何建模方法．即使用简单的几何图元模拟植物器官，例如使用棱柱模拟树干．球模拟果实等。

后来为了提高模拟精度，开始使用较为复杂的几何方法．例如多项式拟合、样条曲线、曲面等１９ｌ。

叶片三维造型方法嘿，朋友们！今天咱就来唠唠叶片三维造型方法。

你想想看，那叶片就像是大自然的艺术品，形态各异，美妙绝伦。

要把它们用三维的方式呈现出来，这可不是一件容易的事儿，但也超级有趣呀！咱先来说说传统的方法。

就好像是搭积木一样，一块一块地拼凑起来。

通过测量叶片的各种数据，比如长度、宽度、厚度啥的，然后在软件里一点一点地勾勒出形状。

这就像是在给叶片画像，得特别仔细，不能有一点儿差错。

还有一种方法呢，就像是给叶片拍了无数张照片，然后把这些照片里的信息整合起来，形成一个三维的模型。

这是不是很神奇？就好像我们有一双神奇的眼睛，能从各个角度看清叶片的模样。

那我们为啥要研究叶片三维造型方法呢？这用处可大了去啦！比如说在航空航天领域，飞机的机翼不就像是大大的叶片嘛。

要是能把叶片的造型研究得透透的，那设计出来的机翼就能飞得更高更远更稳啦！在能源领域，那些风力发电机的叶片，要是能通过更好的三维造型方法来设计，那就能发出更多的电呢！再想想，如果我们能把各种珍稀植物的叶片都用三维造型呈现出来，那不是相当于给它们做了一个永久的记录嘛。

以后的人们也能看到这些美丽的叶片，多棒呀！你说，这叶片三维造型方法是不是就像一把神奇的钥匙，能打开好多好多未知的大门呢？它让我们能更深入地了解叶片的世界，也能让我们利用这些知识创造出更多的奇迹。

咱普通人可能觉得这事儿离自己挺远，但其实不是呀！说不定哪天你就对植物感兴趣了，想自己动手做个叶片的三维模型呢。

到时候，你就会发现，哇，原来这么有意思呀！所以呀，不要小瞧这叶片三维造型方法，它里面的学问可大着呢！就像一个宝藏，等着我们去挖掘。

让我们一起走进这个神奇的世界，去探索、去发现、去创造吧！这难道不是一件超级酷的事情吗？相信我，一旦你深入了解了，你就会被它深深吸引，就像被那美丽的叶片吸引一样！。

第42卷第11期2006年11月林业科学SCIE NTI A SI LVAE SI NIC AE V ol 142,N o 111N ov.,2006虚拟树木生长建模及可视化研究综述雷相东1　常　敏2　陆元昌1　赵天忠2(11中国林业科学研究院资源信息研究所　北京100091;　21北京林业大学信息学院　北京100083)摘　要:　虚拟树木,就是应用计算机模拟树木在三维空间中的生长发育状况,近年来已成为植物学、农林业、环境科学和计算机领域的研究热点。

生长模型和可视化技术是它的核心内容。

虚拟树木生长模型包括形态结构模型、功能模型和结构-功能模型等,其中结构-功能模型可以模拟树木与环境间的相互关系,其结果为树木的三维结构,因此它最为接近现实树木的生长,是虚拟树木生长模型的发展方向。

树木形态的复杂性与计算时间和空间的矛盾一直是可视化研究中的难点。

树木可视化还有不同于其他物体的特性,如多级分枝、枝条的弯曲、自相似、向光性、树木分枝间的光滑与非光滑连接等。

树木可视化软件可分为2类:纯图形学软件和基于结构-功能模型的软件,其应用已涉及娱乐、商业、计算机辅助景观设计、教育、科研和林业生产等方面;但在树木构筑型数据的采集和管理、结构-功能模型的建立、树木可视化技术的研究及面向林业生产等方面仍需要大量的工作。

关键词:　虚拟树木;生长模型;可视化中图分类号:S71;TP39118 文献标识码:A 文章编号:1001-7488(2006)11-0123-09收稿日期:2005-04-28。

基金项目:国家863计划项目(2003AA209020),国家自然科学基金项目(30371157)。

A R eview on G row th Modelling and Visualization for Virtual T reesLei X iangdong 1　Chang M in 2　Lu Y uanchang 1　Zhao T ianzhong 2(11Institute o f Forest Resources In formation Techniques ,C AF Beijing 100091;21College o f In formation ,Beijing Forestry Univer sity Beijing 100083)Abstract :　Virtual trees are m odels that describe the grow th and development of a tree in 3D space by com puter simulation.The study of virtual plants has been m ore and m ore popular in botany ,agriculture ,forestry ,environmental sciences and com puter.G row th m odelling and visualization techniques are essential parts of virtual plants.G row th m odels of virtual trees include m orphological structural m odels ,functional m odels and functional 2structural m odels.Functional 2structural m odels may simulate the interaction between trees and its environment ,whose outputs are 3D structure of trees.Therefore ,functional 2structural m odels are m ore close to realistic tree grow th process and lead the trend of tree grow th m odelling.One of the major difficulties in tree visualization is the contradiction of between com puter time and mem ory occupation and tree m orphological structure com plexity.S pecific features different from normal objects for visualization cover self 2sim ilarity ,ram ification ,branch bending ,phototaxy ,sm oothly and un 2sm oothly blending branching etc.T ree visualization software is based on either pure graphics or functional 2structural m odels ,which has been applied in games ,commerce ,com puter 2assistant landscape design and forestry education ,research and practice.Further w ork should be done in the collection and management of tree architecture data ,the development of functional 2structural m odels ,the visualization techniques and forestry 2oriented application.K ey w ords :　virtual trees ;grow th m odelling ;visualization森林是一个复杂的动态生态系统。

水稻叶片三维建模与叶色渲染汪丽萍;何火娇;杨红云【摘要】提出一种简单的水稻叶片三维建模与可视化方法.通过输入一张二维水稻叶片图像,提取叶片的基本轮廓,创建样条曲线并计算这些样条曲线的交点,然后将这些样条曲线相互连接构建水稻叶片分支脉络,从而建立叶片三维网格模型.利用纹理映射技术,将真实水稻叶片灰度纹理图像作为模型材质贴图,得到富含材质信息的叶片模型,结合前期建立的水稻叶色R、G、B三通道与SPAD的关系模型,实现了水稻叶色的实时渲染,得到的结果真实感强.%In this paper, a method to model rice leaves is proposed. The silhouette of the leaf is defined by inputting a grayscale which is converted from a scanned rice leaf image. By creating many spline curves and calculate the intersec-tions of them, and rice leaf veins are constructed by sweeping these generating curves along these intersections, then the rice leaf three-dimensional grid model is established. After that, the rice leaf grayscale image as the texture map which provides texture information and material information for the leaf model is used with texture-mapping technology to gen-erate the three-dimensional leaf model with material information. Combined with the relationship model between the rice leaf color channel R、G、B and SPAD, it realizes the real-time rendering of rice leaf color, and achieves promising realis-tic rendering results.【期刊名称】《计算机工程与应用》【年(卷),期】2017(053)024【总页数】4页(P187-190)【关键词】水稻;叶片;植物建模;渲染;可视化【作者】汪丽萍;何火娇;杨红云【作者单位】江西农业大学信息中心,南昌 330045;江西农业大学江西省高等学校农业信息技术重点实验室,南昌 330045;江西农业大学软件学院,南昌 330045;江西农业大学江西省高等学校农业信息技术重点实验室,南昌 330045;江西农业大学软件学院,南昌 330045;江西农业大学江西省高等学校农业信息技术重点实验室,南昌330045【正文语种】中文【中图分类】TP391随着数字农业研究与应用的蓬勃发展，数字植物研究专题应运而生[1]，研究的主要内容在于对植物-环境的形态结构、物理属性、生理生态过程等进行定量化、可视化表达，通过结构-功能相互作用过程的并行模拟来解释农林植物-环境的关系。

一种上海青形态模型和可视化方法说实话一种上海青形态模型和可视化方法这事，我一开始也是瞎摸索。

我试过直接拿真的上海青去塑形，想着这不是最直观嘛。

可是上海青它是活的植物啊，叶片软趴趴的，根本立不起来，想要做出个稳定的形态模型简直是天方夜谭。

这算是我第一个失败的尝试，就是没有考虑到材料的特性。

后来我想啊，那就用软陶来试一下。

软陶可以捏成各种形状，而且烤干之后就能定型。

我就照着上海青的样子开始捏，一片一片叶子地做。

这里面也有讲究，它叶子不是平的嘛，那就要注意有个卷曲的感觉。

我一开始捏得像个大饼一样平，怎么看都不像。

后来我就一边回忆上海青叶子的样子，一边慢慢捏，捏出那种有点弯有点翘的样子，可费了我老半天劲。

但是用软陶做模型有个问题，就是可视化不太好。

软陶就是个实心的，不能看到内部结构啊，这和我们想要的可视化就差得远了。

再后来啊，我想到了用3D打印。

我先在网上找上海青的图片，从不同角度观察它的形状，然后用建模软件构建它的三维模型。

这个过程就像是盖房子，先搭个框架，再一块一块地添砖加瓦。

我一开始对建模软件也不太熟悉，好多功能都是乱点，结果模型乱七八糟的。

但是没办法啊，只能一点点摸索。

比如说做叶子的脉络，我刚开始不知道怎么把那些纹路做立体，在网上找了很多教程，看了好多遍才慢慢搞明白。

这里我有个心得就是，做这个模型之前啊，一定要对上海青有特别充分的观察，哪部分突出，哪部分凹进去，每个细节都要记好。

在建模的时候，尺寸比例也要把握好，不然做出来的模型就不像。

就像我之前做的一个模型，叶子做得太大了，茎又太细，整个看起来特别怪异。

不确定的地方也有，就是关于建模软件中的材质模拟。

我想模拟出上海青那种翠绿新鲜的质感，但一直没能达到特别满意的效果。

不过总体来说，通过不断尝试，现在这个用3D打印技术做上海青形态模型和可视化的方法是我目前能做到的比较可行的一种方法。

要是你们也想做的话，一定要多参考实物的样子，还有别舍不得在上面花时间去修改完善。

专利名称：一种基于正反图像的叶片三维建模方法专利类型：发明专利
发明人：曾兰玲,李唱,杨洋
申请号：CN202010945021.6
申请日：20200910
公开号：CN112200904A
公开日：
20210108
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明涉及植物可视化，具体涉及一种基于正反图像的叶片三维建模方法，包括以下几个步骤：首先采集植物叶片的正反面照片，再对采集到的叶片正反面照片进行背景去燥等预处理操作；接着，在得到的结果上对正反叶片的照片进行匹配操作；最后对于匹配好之后的结果打散成点云，进行3D建模。

本发明构建的立体模型对常见的多种植物叶片真实形态基本完全还原，可仿真模拟和实现植物叶片的可视化。

本研究对植物3D可视化研究具有积极意义。

申请人：江苏大学
地址：212013 江苏省镇江市学府路301号
国籍：CN
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基于虚拟现实技术的植物生长模拟与效果展示研究植物生长与发展是自然界中最为复杂和奇妙的过程之一。

随着人类对自然界的研究日益深入，对植物的生长模式和机理的研究也越发重要。

基于虚拟现实技术的植物生长模拟与效果展示是一种创新的研究方法，可以让我们更加深入地理解植物的生长过程，并通过虚拟场景展示出植物生长的效果。

虚拟现实技术是一种利用计算机和传感器等技术，将人们置身于虚构的环境中，并与之进行交互的技术手段。

植物生长模拟就利用了虚拟现实技术中的计算机图形学和交互技术，对植物的生长进行模拟和展示。

通过利用计算机图形学技术，可以模拟出植物在不同环境条件下的生长过程，包括植物的根系、茎、叶片等器官的形态变化和运动规律。

同时，通过交互技术，用户可以与虚拟植物进行互动，触发植物的生长过程，观察其生长的效果。

虚拟现实技术在植物生长模拟与效果展示研究中的应用有很多。

首先，它可以帮助科研人员更好地理解植物的生长机理。

通过模拟和展示不同环境条件下植物的生长过程，科研人员可以观察到植物在不同阶段的生长速率、形态变化及生理代谢等。

这对于研究植物的生长规律和机制非常有帮助，有助于揭示植物适应不同环境的生长策略和调控机制。

其次，虚拟现实技术可以在教育领域中起到重要的作用。

通过虚拟现实技术展示植物的生长过程，可以使学生更加直观地了解植物的结构和生长规律。

在传统的教学中，学生只能通过书本和图片来学习植物的生长，而使用虚拟现实技术可以使学生仿佛置身于植物世界中，身临其境地观察植物的生长过程。

这种互动式的学习方式可以激发学生的主动性和创造力，提高他们对植物科学的兴趣和理解。

此外，基于虚拟现实技术的植物生长模拟与效果展示还可以在景观设计和农业生产中发挥重要作用。

在景观设计中，设计师可以利用虚拟现实技术模拟和展示不同类型的植物在不同场景下的生长效果，以便更好地规划和设计景观。

在农业生产中，农民可以使用虚拟现实技术模拟和预测植物的生长情况，根据实际需求进行种植和管理，提高农作物的产量和质量。

南京理工大学硕士学位论文植物叶片图像分析方法的研究与实现姓名：苏玉梅申请学位级别：硕士专业：计算机应用技术指导教师：张功萱20070601２叶片图像的采集要进行叶片图像处理，首先需进行图像采集，获得叶片图像。

由于计算机只能处理数字图像，而自然界提供的图像却是其它形式的，所以图像采集在整个图像处理系统中具有很重要的作用。

它负责将现实中的物体图像通过输入设备采集下来，并进行一系列的处理，将图像的模拟信号转换成数字信号，最终输入计算机并在输出设备中显示出来。

２．１硬件条件植物叶片图像处理的硬件组成包括扫描仪和普通ＰＣ机，扫描仪完成图像采集和数字化工作，ＰＣ机负责图像的显示和处理。

如图２．１．１所示：接铷时Ｊ辛挥本扫描仪谤雾枫图２．１．１系统硬件组成示意图植物叶片样本经过扫描仪扫描，以“位ＢＭＰ彩色图像文件格式存入计算机，然后由图像处理软件读取ＢＭＰ文件，之后通过处理，输出处理结果。

扫描仪可以直接把图形（工程图纸）和图像（如照片、广告画）等扫描输入到计算机中，以像素信息进行存储。

扫描仪是由光结构、控制电缆、感测器传动机结构以及软件技术组合而成的产品。

扫描图像过程就是扫描光源通过待扫描材料，再经一组镜面反射到ＣＣＤ（电荷耦合器件），由ＣＣＤ转换产生图像数据，然后，传输给计算机主机，最后，经过适当的软件处理，以图像数据文件的形式存储或使用。

图像扫描的基本流程如图２．１．２所示：６ＴＷ＿ＥＶＥＮＴ变量；根据返回消息的不同，决定下一步操作，一般只需关注ＭＳＧＸＦＥＲＲＥＡＤＹ（传输就绪）和ＭＳＧＣＬＯＳＥＤＳＲＥＱ（关闭数据源）即可。

阶段⑥到⑦是获取图像的过程，相关参数是ＤＧ＿ＩＭＡＧＥ／ＤＡＴ＿ＩＭＡＧＥＮＡＴＩＶＥＸＦＥＲ／ＭＳＧ＿ＧＥＴ。

这一过程需要应用程序考虑的工作比较多，如果希望能够输出ｗｉｎｄ０Ｗｓ可识别的Ｂ肝图像文件，则需要构造ＢＭＰ文件头，然后和获取的图像数据一起存放到文件中。

２．２．２扫描叶片本系统利用ＴＷＡＩＮ连接扫描仪进行扫描叶片，获得叶片图像的过程如图２．２．２．１至图２．２．２．３所示：图２．２．２．１选择扫描操作图２．２．２．１是选择扫描新的叶片图像时所显示的界面，可以有三种选择：显示扫描界面形式、按照８．５＂１１（英寸）的固定尺寸扫描和按照８．５＂１４（英寸）的固定尺寸扫描。

目录摘要 ....................................................................................................................................................1 文献综述.........................................................................................................................................1.1 国内研究现状.....................................................................................................................1.1.1 虚拟农业技术的国内研究概况.............................................................................1.1.2 虚拟植物的国内研究现状.....................................................................................1.2 国外研究现状.....................................................................................................................1.2.1 虚拟农业技术的国外研究概况.............................................................................1.2.2 虚拟植物的国外研究概况.....................................................................................1.3 研究目的与意义.................................................................................................................2 技术路线与关键技术.....................................................................................................................2.1 技术路线.............................................................................................................................2.1 关键技术方法.....................................................................................................................2.1.1 小麦植株点云数据预处理.....................................................................................2.1.2 虚拟场景的可视化处理.........................................................................................3 面向沉浸感的小麦三维形态可视化系统设计.............................................................................3.1系统设计原则......................................................................................................................3.2 系统结构设计.....................................................................................................................3.2.1 小麦植株生育期的点云重构.................................................................................3.2.1.1 小麦植株苗期的点云重构.........................................................................3.2.1.2 小麦植株冬前分蘖期的点云重构.............................................................3.2.1.3 小麦植株越冬期的点云重构.....................................................................3.2.1.4 小麦植株返青拔节期点云重构.................................................................3.2.2 小麦生长场景三维点云模型重构.........................................................................3.2.2.1 地面三维激光扫描点云数据.....................................................................3.2.2.2 生长场景的模型重构方法.........................................................................3.2.2.3 构建模型.....................................................................................................3.2.3 基于HTC·vive设备的沉浸与人机交互处理 .....................................................3.2.3.1 沉浸式环境下的处理.................................................................................3.2.3.2 交互设计的实现.........................................................................................3.2.3.3 小麦生长场景的漫游.................................................................................3.2.3.3 VR场景渲染技术........................................................................................3.3 系统功能设计.....................................................................................................................4 面向沉浸感的小麦三维形态可视化系统开发与实现.................................................................4.1 系统开发环境与工具.........................................................................................................4.2 系统实现及效果.................................................................................................................4.2.1 场景实现.................................................................................................................4.2.2 交互模块的实现.....................................................................................................4.2.3 系统测试与优化.....................................................................................................5 总结与展望.....................................................................................................................................5.1 总结.....................................................................................................................................5.2 展望..................................................................................................................................... 参考文献.............................................................................................................................................摘要当前，针对VR技术和农业信息化的研究有以下三种热门话题：小麦可视化三维形状重构、人机交互以及沉浸式虚拟场景构建。