基于OpenGL的玉米可视化技术分析.doc

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1、基于OpenGL的玉米可视化技术研究摘要：以玉米茎节、叶片、穗等各器官为研究对象，基于OpenGL技术实现玉米各器官的3D逼真显示，设计实现玉米的三维可视化系统。系统运行时，根据玉米特性、各器官的形态特征参数和拓扑结构参数，运用VC＋＋和OpenGL在计算机上实现玉米各器官、植株的静态建模及动态生长过程。该项目研究成果可以直接用于教学演示，并为作物研究提供了更为便捷的、新的研究手段。关键字：玉米；几何建模；渲染；3D动态显示农作物的三维过程数字化显示，也就是虚拟作物，对农业科研、生产、教学有着极大的应用价值。农作物与我们日常生活密

2、切相关，以计算机为手段对农作物生长进行建模与仿真，对我国这样一个农业大国极为重要。计算机能以真实感模拟作物的三维生长的关键是作物的三维几何形态建模和计算机可视化技术，即计算机可视化技术的发展使得模拟作物动态生长过程成为可能。虚拟作物是以作物为对象，具有三维效果和可视化特点；它可以实现在很短的时间，不必实际种植，利用计算机模拟显示作物生长的整个过程。虚拟作物的研究工作在国外已有很多,开发出很多虚拟作物软件。相对于水稻、小麦等农作物，玉米的形态结构比较复杂，研究玉米形态可视化技术可为玉米生长可视化系统的设计提供技术基础。1项目研究目标

3、1)研究作物器官的几何建模方法，并基于OpenGL建立玉米各器官的较逼真的几何模型。2)掌握基于OpenGL实现玉米器官几何模型的真实感渲染方法。3)建立玉米植株的可视化模型。4)开发玉米形态可视化原型系统。玉米的形态结构比较复杂，研究玉米形态可视化技术可为玉米生长可视化系统的设计提供技术基础。本研究以玉米作物为对象，基于OpenGL技术实现玉米作物器官的3D静态逼真显示，开发作物器官动态演示系统。将计算机图形学技术应用于作物形态结构分析，根据对作物器官形态结构主要特征构建参数化的几何模型，实现进行作物器官、个体的可视化展示。该项

4、研究成果将为作物形态结构研究提供了新的研究手段，并为作物的虚拟显示探索新方法。研究利用了玉米的三维形态几何模型，采用面向对象的方法，对玉米各器官作为单独的对象进行处理，采用模型-文档-视图的方法，设计实现了玉米三维可视化系统，对玉米的茎、叶、穗分别建立了静态模型，实现了玉米各器官和单株三维静态建模及动态生长。2项目的主要研究容1)玉米器官几何模型的建立研究如何基于玉米器官的形态特征参数（叶长、叶宽、节间长、节间粗等），建立玉米各器官（茎节、叶片、雄穗和雌穗）的几何模型，并基于OpenGL图形库实现各器官的静态绘制。2)基于Open

5、GL实现作物器官几何模型的真实感渲染方法运用OpenGL技术对已绘制好的玉米器官加以光照、纹理等效果，从而实现玉米器官的逼真显示。3)研究如何基于玉米植株的拓扑结构特征，将各器官组织成植株个体，实现玉米植株的可视化。4)开发玉米形态结构可视化系统利用VC++语言结合OpenGL图形库，构建玉米形态结构可视化系统，实现玉米器官、植株的3D显示。3项目的技术路线项目的技术路线如图1所示：对国内外已有研究的学习与分析，收集对本项目有用的资料研究作物器官器官几何建模方法收集玉米主要生育期各器官的生长图片，观测分析玉米各器官的形态结构特征根

6、据玉米各器官的形态特征参数，建立器官的静态几何模型。对玉米各器官的几何模型添加颜色、光照等，生成形象逼真的玉米器官。实现玉米植株3D动态显示构造基本图元，来模拟玉米的规则形状的器官(如节间、玉米籽粒等)，基本图元可以结合为更复杂的复合图元，用于描述更为复杂的玉米器官（如穗）。将各器官组织成个体，实现玉米植株的个体可视化。图1项目技术路线4器官几何建模4.1玉米雌穗几何建模玉米雌穗结构较为复杂，雌穗建模包括构建籽粒、穗轴和苞叶3部分容。玉米籽粒形状较为光滑，每个籽粒可以近似看做一个球体(图2-1)。图2-1图2-2图2-3图2玉米雌

7、穗几何建模单个玉米籽粒的半径为r，单个玉米籽粒的圆心构成半径为R的圆，根据R和r的设定，形成一行玉米籽粒，如图2-2所示。并对单个籽粒进行一定的缩放使玉米籽粒的个体更为凸显。用圆柱和圆台模拟穗轴体，圆锥模拟穗轴顶端部分，模型参数包括穗轴圆台半径、圆柱半径和顶部半径、穗轴圆台体高度h3、圆柱体高度h2和顶部锥体高度h1，如图2-3所示。根据穗轴着生籽粒的行粒数在穗轴体的轴线方向和截面方向分别划分网格，网格交点作为籽粒的生长点。对已经缩放的籽粒进行坐标变换使其依附在穗轴体上形成单个玉米雌穗（图3）。图3玉米雌穗形成图4.2玉米苞叶几何

8、建模玉米苞叶包着果穗，苞叶的形状呈近似圆形，可以用圆弧和圆来模拟，苞叶基部的封闭部分用圆来模拟，上部不封闭的部分用圆弧来模拟，然后对模型进行转换。苞叶具体建模过程如下：定义苞叶截面上的圆为截面圆，当这些大小不一的截面圆累加起来，可以近似组合成圆台，