水稻植株三维形态可视化系统的设计与实现

水稻植株三维形态可视化系统的设计与实现

模拟植物形态结构的模拟植物可视化（也称为虚拟植物）是指以植物的个体和集体形态结构为研究对象的虚拟现实技术，以便在计算机上再现植物的三维生长过程。计算机图形学技术与农业知识的有机结合使得对农作物形态结构和生理功能的研究跨入到数字化、可视化的阶段,数字植物的可视化设计目前已成为植物模拟研究新的领域。20世纪90年代以前,植物虚拟生长的研究一般侧重于植物结构生长规则的提取和固定时间步长的植物生长模拟。随着计算机性能的改善和研究方法的不断改进,参数L-系统、差分L-系统和开放L-系统等相继开发成功,植物生长过程的连续动态模拟、植物与环境的相互影响关系受到研究者的重视。利用L-系统、分形理论对虚拟环境下的植物进行形态结构的三维可视化,没有量化植物形态结构变化规律与环境和技术措施之间的动态关系,因此不能模拟实际生产条件下植物形态结构的动态变化过程,同时在程序的交互性方面不够理想。国内在此领域的研究比较晚,大多数集中在静态器官模型方面,在系统研究方面仍未出现较成熟的作物虚拟生长系统,水稻虚拟动态生长的研究报道还很少。为此,本文以水稻为样本,通过分析水稻形态结构特征参数,构造出基于形态特征参数的器官几何模型,在此基础上设计和开发了水稻虚拟生长可视化系统。通过简单的人机交互,在计算机上实现水稻器官、植株和植株群体的三维重构和水稻虚拟动态生长过程的显示,以期为虚拟农作物的研究提供技术基础,从而为农学研究者研究水稻作物提供更便捷的水稻可视化研究平台。1器官几何形态模型本系统以水稻地上器官形态模拟模型为基本算法,结合水稻的生长模型的输出结果和OpenGL中的可视化模型,初步实现了水稻地上各器官生长发育过程的可视化表达。系统主要由器官几何形态模型、水稻生长模型、可视化控制模型、数据库和人机交互界面等组成,如图1所示。通过人机交互,系统根据生长模型计算水稻的生理年龄,并输出该生理年龄下的植株拓扑结构以及相关叶、茎节、稻穗的形态特征参数;器官几何形态模型根据生长模型或人机交互输入的形态特征参数进行器官精确几何造型;最后可视化控制模块根据人机交互将各器官按拓扑结构参数进行拼接,形成水稻主茎,然后通过旋转主茎形成分蘖,再按株行距参数生成植株群体,从而实现水稻器官、植株和植株群体三维形态展示、群体漫游和可视化计算功能。1.1模型库1.1.1子模型等数学模型形态模型是系统的核心部分,包括叶片形态子模型、茎形态子模型、叶鞘形态子模型和稻穗形态子模型等四部分。其中叶片形态子模型包括叶长、叶宽、叶形、叶色、叶片衰亡、叶片空中伸展曲线和茎叶夹角等形态结构建成规律的模拟;茎形态子模型包括茎长和茎粗变化过程的模拟;叶鞘形态子模型包括叶鞘长和叶鞘粗变化过程的模拟;稻穗形态子模型包括穗轴和小穗变化过程的模拟。1.1.2形态生长模型生长模型采用了本课题已有研究成果即水稻叶片和茎杆生长模拟模型,该模型是在大量田间试验、文献资料和系统分析的基础上,借鉴和吸收国内外已有水稻作物生长模拟模型优点的同时,通过解析水稻生理生态过程的机理关系,应用面向对象的编程思想,发展和建立起来的基于生理生态过程的水稻形态生长模型。该模型包括阶段发育和物候期、形态发生与器官建成以及各个器官形态结构参数与时间之间关系模型。本研究中主要是利用生长模型的输出结果作为形态建成模拟模型的输入参数,以实现可视化水稻植株的动态虚拟生长。1.1.3常用的三大函数可视化模型由OpenGL函数和自定义函数构成,主要包括叶片形态构建函数drawleaf()、叶色变化函数glColor3f()、茎形态构建函数drawstem()、叶鞘形态构建函数drawsheath()、稻穗形态构建函数drawpanicle()、坐标顶点绘制三角形函数glBegin(GL_TRIANGLES)、glVertex3fv()、glEnd()和动态变化控制函数OnTimer()等组成。OpenGL函数的输入参数来自形态模型输出的结果。1.1.4模型控制函数场景控制模型主要由OpenGL函数构成,包括视图变换函数gluPerspective()、glViewport()和gluLookAt();场景渲染函数glClearColor()、植株旋转变化函数glTranslatef()和glRotatef();矩阵栈保护函数glPushMatix()和glPopMatrix();光照模型控制函数glMaterialfv()、glLightfv()、glLightModelfv()、glEnable(GL_LIGHTING)、glEnable(GL_LIGHT0)等函数;以及MFC提供的一些鼠标和键盘控制函数等。1.2上器官形态特征参数本系统主要以杂优水稻金优402的水稻实验数据为参考,数据库中主要以天为单位存储了水稻各地上器官的形态特征参数,包括形态模型中涉及的叶片弯曲系数,扭曲角度,叶长,最大叶宽,叶倾角,叶鞘长度和半径,茎杆节间长度,茎半径,稻穗穗轴节数,穗轴节长,枝梗轴数量,枝梗轴节数,枝梗轴节间长度,和穗轴半径,谷粒长度,半径,小穗穗柄长度以及生长模型运行所需要的全部参数。1.3初始化参数的修改人机接口主要是为用户提供修改器官参数和显示器官模型。生成器官模型的初始化参数是由系统自动完成的,但用户也可根据需要直接在界面进行参数的修改。模型模拟结果的输出方式包括水稻主茎形态建成过程的可视化,水稻植株动态生长过程可视化和群体显示可视化。2空间姿态决定。空间姿态选取空间水稻植株的三维形态是由器官的数目及空间拓扑结构和各器官的空间姿态所决定。器官几何形态模型是本系统的核心部分,笔者通过对水稻叶、茎、叶鞘和稻穗的观测研究,构建了基于器官形态特征参数的精确几何造型,用于各器官的几何建模。2.1采用begier曲线法求取弯曲叶片水稻叶片的三维形态主要由叶脉空间走向、叶片边缘特征及叶鞘形态所决定,采用一元二次方程:y=ax2+bx+c来构建描述叶脉曲线弯曲形态,假设叶脉在xoy平面内,叶脉坐标点可用(xi,yi,0)表示(i=0,1,…N-1,N为取样点数量),叶脉的空间走向通过叶片的方位角旋转得到,叶缘特征采用Bezier曲线来描述,边缘点距叶脉的距离设为di,则三维弯曲形态叶片对应边缘两点坐标分别为(xi,yi,di)和(xi,yi,-di),而扭曲叶片只要叶边缘点绕叶脉轴旋转一定角度θi即可得到,三角网格化后构建的弯曲和扭曲叶片三维形态如图2所示。叶片模型参数包括叶片长度、叶片最大宽度、叶倾角、方程系数、扭曲角度、叶方位角和叶片颜色,以上参数均为品种参数或由生长模型连续输入,可以较好地描述水稻叶片形态建成全过程。2.2叶形态的绘制水稻茎由节和节间构成,其几何形态较为简单,可用横截面为圆的圆柱体来描述,形态模型参数为节圆柱体上半径、下半径和节间长。根据模型参数可重构出茎节形态并模拟出茎节的伸长和增粗过程。叶鞘形态模型和茎杆类似,在圆柱上半部分用不闭合的圆来绘制圆柱侧面,绘制不闭合圆可由参数控制圆上连接点的数目。将形态模型模拟的茎长、茎半径、叶鞘长、叶鞘半径数据转化为显示模型中各点的坐标,然后选择合适的绘制模式进行绘制,图3所示茎杆和叶鞘的可视化输出。茎、鞘模型参数包括茎长、茎半径、叶鞘长、叶鞘半径。2.3稻穗模型构建稻穗是圆锥花序,由主轴、枝梗和小穗组成。在自然生长环境中,水稻稻穗弯曲穗型主要受到谷粒重力影响导致稻穗穗轴受压弯曲,弯曲形状因品种不同而有所差别,为了容易控制产生不同稻穗的形态,一般考虑用各种曲线来拟合其空间三维形态。本文采用一元二次方程即抛物曲线:y=ax2+bx+c来描述水稻穗轴三维弯曲信息,用二次曲线上相连的弦线段来模拟穗轴轴节,如图4所示的p1,p2,p3,p4,p5,p6组成的弦线段控制穗轴的走向,以每段弦线段为轴心线绘制一斜圆柱模拟一节穗轴。枝梗轴与穗轴相似,枝梗轴着生在主穗轴轴节上。小穗由穗柄和谷粒组成,穗柄用一半径很小的斜圆柱表示(群体中可用一线段表示穗柄,以加快显示速度),谷粒用2个同底面圆锥表示。如图5所示的穗轴、枝梗轴、小穗结构和着生小穗构建的稻穗,稻穗的模型参数包括穗轴和枝梗轴的轴段长,轴半径,轴节数,轴弯曲系数,谷粒长度,谷粒半径,谷粒颜色,小穗穗柄长度。基于水稻叶片、茎杆、叶鞘以及稻穗的形态建模描述,确定模型参数后,即可重构水稻地面冠层各器官三维形态。3系统的设计和实现3.1水稻主茎和水稻群体模型类的建立本系统设计过程中使用了面向对象的程序设计方法,分别针对水稻的各个器官建立了对象模型,并设计数据结构来描述该模型,然后由器官的模型类派生出水稻主茎模型类,若干不同特征的水稻主茎形成水稻分蘖植株,由分蘖植株形成水稻群体。水稻主茎模型类设计如下:3.2基于gl的水稻生长和群体显示系统是在中文Windowsxp操作平台上开发的,采用VisualC++6.0结合OpenGL图形标准进行代码编写,数据库采用Access2000。基于系统软件,以水稻品种杂优水稻金优402作为测试材料,进行水稻主茎、分蘖动态生长和群体显示如图6,图7,图8所示。由图6,图7,图8可见,系统生成的水稻三维形体具有较强的真实感。4对其它引发问题的建议1)本文对水稻三维重构及可视化系统所采用的关键技术和软件体系作了详细的说明。文中提出的基于结构化途径、参数化的器官精确几何模型具有明确生物学意义,易于与农学知识和作物模型相结合,为作物形态的数字化设计和可视化计算分析奠定了基础。基于形态特征参数的器官三维形态建模方法具有普适性,对于构建其它禾本科作物器官的三维模型具有指导意义。2)本系统实现了形态模型、生长模型和虚拟显示模型的初步耦合,为虚拟农作的研究作了有益的探索,但如何将形态模型、生长模型和虚拟显示模型进行一体化的集成仍需作进一步的研究。3)在软件编程实现各器官形态模型时,每个器官都是用三角形逼近来模拟显示的,在使用三角形逼近进行各器官形态模拟时,模型的精度是与所使用的三角形数量成正比的,使用的三角形越多,模型的