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第1章 绪论 1

1.1 虚拟现实与虚拟农业 1

1.1.1 虚拟现实及其发展历史 1

1.1.2 虚拟农业 2

1.2 数字植物及其科学内涵 4

1.2.1 数字植物提出的背景 4

1.2.2 数字植物的概念及内涵 5

1.2.3 数字植物的发展阶段 6

1.3 植物生长系统的虚拟设计与仿真 6

1.3.1 植物生长系统虚拟设计与仿真的内涵 6

1.3.2 植物生长系统虚拟设计与仿真的基本研究问题 7

1.3.3 植物生长系统虚拟设计与仿真的主要技术与方法 9

参考文献 19

第2章 植物形态结构数据的采集 22

2.1 基于图像的数据采集 22

2.1.1 植物三维形态结构数据采集 22

2.1.2 植物器官颜色和纹理数据采集 27

2.2 基于三维数字化的数据采集 29

2.2.1 三维数字化仪的技术原理和应用 29

2.2.2 三维激光扫描仪的技术原理和应用 31

2.2.3 植物变形和运动的数据采集 38

参考文献 38

第3章 植物形态几何建模和交互设计 40

3.1 计算机图形建模基础知识 40

3.1.1 多面体模型 40

3.1.2 曲面模型 41

3.1.3 应用于植物形态模拟的主要曲面建模方法 42

3.2 植物器官三维形态建模 47

3.2.1 基于参数化的植物器官建模 47

3.2.2 基于骨架的植物器官几何建模 51

3.2.3 基于实测数据的植物器官曲面建模 62

3.3 植物形态结构的交互式设计 75

3.3.1 基于参数的植物器官三维形态交互式设计 76

3.3.2 基于拉普拉斯的植物器官网格曲面交互设计 77

3.3.3 基于交互式骨架模型的根系三维形态设计 81

3.3.4 植物植株形态的交互式设计 89

3.4 三维植物造型的表面细节建模技术 94

3.4.1 基于脉序骨架的植物叶脉几何建模 94

3.4.2 叶片锯齿轮廓生成 98

3.5 讨论 102

参考文献 103

第4章 基于图像的植物形态三维重建 105

4.1 概述 105

4.2 图像采集和三维信息获取 106

4.2.1 立体视觉 106

4.2.2 相机标定 108

4.2.3 特征匹配 113

4.2.4 三维信息的获取 115

4.3 植株三维形态测量与重建 116

4.3.1 叶片的测量与建模 116

4.3.2 植株骨架的提取与测量 123

4.4 基于图像的植物形态重建系统设计与开发 131

4.4.1 相机标定 132

4.4.2 图像处理 132

4.4.3 模型显示功能 132

4.4.4 叶片重建 136

4.4.5 植株骨架重建 137

4.4.6 三维测量单元 139

参考文献 139

第5章 三维植物模型的真实感绘制技术 141

5.1 真实感图形的基本概念 141

5.2 光照处理 142

5.2.1 局部光照模型 142

5.2.2 面绘制模型 143

5.2.3 全局光照 144

5.2.4 OpenGL的光照模型及应用 144

5.3 纹理映射 146

5.4 植物器官表观颜色仿真 149

5.5 植物造型表面绒毛生成 151

5.5.1 绒毛分布的生成 152

5.5.2 绒毛的几何表示和放置 153

5.5.3 参数控制 154

5.5.4 结果示例和讨论 156

5.6 三维植物群体实时阴影生成 158

5.6.1 Z-pass算法 158

5.6.2 阴影的实现过程 158

5.6.3 阴影算法描述及效果图 159

5.7 植物冠层光分布计算模型及其应用 161

5.7.1 植物冠层光分布计算主要方法 162

5.7.2 基于辐射度的作物冠层光分布计算系统的设计与实现 164

5.7.3 使用嵌入式辐射度算法进行散射光效用评价 169

参考文献 174

第6章 植物生长过程的可视化仿真 177

6.1 基于生长模型的农作物生长可视化仿真 177

6.1.1 玉米形态结构及器官几何模型构建 178

6.1.2 玉米形态模拟模型 178

6.1.3 实例分析及模拟系统实现 181

6.2 基于关键帧的作物生长三维动画模拟 182

6.2.1 玉米骨架模型 183

6.2.2 植株尺度模型上的参数关键帧技术 185

6.2.3 器官尺度模型上的参数关键帧技术 187

6.2.4 从骨架模型到植株模型 188

6.2.5 结果与讨论 189

6.3 基于马尔可夫模型的果树枝条生长仿真 192

6.3.1 苹果树的分枝特性 192

6.3.2 基于随机过程的苹果树分枝模型的建立 192

6.3.3 果树形态发展的实时模型 194

6.3.4 实验结果和讨论 197

参考文献 200

第7章 基于物理的植物变形和运动模拟 202

7.1 概述 202

7.2 基于质点-弹簧系统的植物器官变形模型 203

7.2.1 质点弹簧模型及其解法 203

7.2.2 植物器官变形模型 205

7.2.3 模拟结果和讨论 207

7.3 植物叶片卷曲和萎蔫过程模拟 210

7.3.1 基本思想 210

7.3.2 相关研究 212

7.3.3 双层质点-弹簧系统驱动的叶片运动模型 213

7.3.4 基于双层质点-弹簧系统的叶片模型 215

7.3.5 叶脉骨架驱动的叶片变形模拟 223

7.3.6 总结与讨论 230

7.4 园艺植物藤蔓攀援特性建模和攀援行为模拟 231

7.4.1 相关工作 231

7.4.2 植物攀援行为的基本知识 233

7.4.3 藤蔓植物攀援行为模拟 233

7.4.4 模拟结果和讨论 239

7.4.5 小结 242

参考文献 242

第8章 植物系统虚拟场景绘制和实时漫游 245

8.1 植物群体漫游中的碰撞检测和处理 245

8.1.1 基于空间散列法的虚拟植物碰撞检测算法 246

8.1.2 植物群体冠层实时碰撞处理 251

8.2 雨雪天气的实时模拟 256

8.2.1 相关工作 257

8.2.2 基于粒子系统的下雪模拟 257

8.2.3 雪的堆积 260

8.2.4 实验结果与分析 263

8.3 虚拟温室环境的实时漫游 265

8.3.1 日光温室LOD模型 265

8.3.2 视点的漫游及碰撞检测 266

参考文献 272

第9章 植物三维形态交互式设计软件的设计规范 275

9.1 植物三维形态交互式设计软件需求分析 275

9.1.1 植物三维形态交互式设计任务目标 275

9.1.2 植物三维形态交互式设计软件需求分析 277

9.2 植物三维形态交互式设计软件的评价指标 279

9.2.1 植物三维形态交互式设计的评价目标 280

9.2.2 植物三维形态设计功能评价指标 281

9.2.3 植物三维形态设计技术评价指标 282

9.2.4 综合评价模型 283

9.3 植物三维形态交互式设计软件的设计模式与开发规范 284

9.3.1 植物三维形态交互式设计软件的设计模式 284

9.3.2 植物三维形态数据结构、数据格式及数据库 285

9.3.3 植物三维形态交互式设计软件功能模块 286

9.3.4 植物三维形态交互式设计流程规范 288

9.3.5 植物三维形态交互式设计软件开发规范 289

9.3.6 植物三维形态交互式设计软件市场前景 290

参考文献 291

第10章 农作物生产场景虚拟仿真平台的设计与开发 292

10.1 背景分析 292

10.2 设计目标和平台需求 293

10.3 平台组成 294

10.3.1 总体结构及功能 294

10.3.2 主要功能简介 295

10.4 系统实现及关键技术 296

10.4.1 插件接口定义和管理 297

10.4.2 场景组织和绘制 298

10.4.3 环境数据接口 299

10.4.4 动画格式重用 300

10.4.5 自然现象模拟 301

10.4.6 场景动画 301

10.5 应用示例 301

参考文献 304

第11章 农林植物虚拟设计与仿真 305

11.1 西瓜三维形态设计与仿真 305

11.1.1 西瓜的形态特征 305

11.1.2 西瓜主要器官的几何建模 306

11.1.3 基于知识的西瓜植株拓扑结构生成 309

11.1.4 植株形态交互式生成 310

11.1.5 西瓜植株形态生长过程模拟 313

11.1.6 西瓜三维形态交互式设计软件的设计与开发 316

11.2 小麦三维形态设计与仿真 318

11.2.1 小麦地上部器官的几何造型 318

11.2.2 小麦植株三维形态设计与生长模拟软件系统的开发 321

11.2.3 应用示例 323

11.3 苹果树三维形态设计与生长模拟 324

11.3.1 苹果树器官几何造型建模 324

11.3.2 苹果树形态生长过程的可视化模拟 334

参考文献 334

第12章 日光温室虚拟设计 335

12.1 虚拟温室研究现状 335

12.2 日光温室交互式设计 336

12.2.1 日光温室的基本结构 336

12.2.2 温室结构的参数化建模 337

12.2.3 日光温室的交互式设计 338

12.2.4 三维附属组件的导入 339

12.2.5 系统实现和结果 340

12.3 日光温室采光量的实时计算及可视化 341

12.3.1 计算模型 341

12.3.2 可视化计算 343

12.3.3 算法实现与结果 345

参考文献 347

第13章 土壤结构虚拟设计 348

13.1 基于Koch曲线的土体孔隙三维可视化仿真 348

13.1.1 三维Koch曲线建模 348

13.1.2 土体孔隙结构的可视化建模 350

13.1.3 土体孔隙结构的可视化计算应用 352

13.2 基于粒子系统的土壤可视化仿真研究 354

13.2.1 模型假设 354

13.2.2 土壤粒子系统可视化建模 354

13.2.3 模型实现和实验结果 361

13.3 粒子系统的优化技术 363

13.3.1 绘制效率优化 363

13.3.2 计算复杂性优化 365

13.3.3 粒子数量优化 366

13.3.4 实验结果和讨论 367

13.4 基于面向对象八叉树的土壤结构虚拟漫游碰撞检测 369

13.4.1 面向对象八叉树基本数据结构 369

13.4.2 基于面向对象八叉树的虚拟漫游碰撞检测 371

13.4.3 实验结果 373

参考文献 375

第14章 总结与展望 377

14.1 存在的挑战 377

14.2 进一步的研究重点 378

14.2.1 植物生长建模和可视化研究 378

14.2.2 多尺度仿真集成问题研究 379

14.2.3 实时虚拟互动体验技术研究 380

14.2.4 网络环境下异构模型、方法的共享关键技术研究 380

14.2.5 虚拟化科研环境构建 381

14.2.6 面向应用的开发 381