玉米叶片形态建模与网格简化算法研究

【目的】协调禾本科作物形态模型的可视化效果和计算效率之间的关系。【方法】提出一种利用非均匀有理B样条(NURBS)插值结合使用多直线段分裂算法(splitting)来重建玉米叶片三维形态并实现曲面网格简化控制的方法。【结果】该方法利用三维数字化仪采集的数据点,通过计算节点矢量、差值计算反求曲面控制点等步骤构造出玉米叶片曲面,具有较强地真实感效果;根据叶片形态特征,采用多直线段分裂算法的逆运算来对叶片曲面网格数量进行简化,在尽可能保持曲面特征的同时可显著降低网格数目。【结论】应用该方法进行玉米冠层可视化与光分布计算,结果表明,在不显著增大计算误差的前提下,可以明显地提高计算效率。

基于Bezier曲线的植物形态建模和显示

建立植物模型有多种方法,而植物形态的多变性使建立植物模型十分困难。该文介绍了基于Bezier曲线建立植物模型的方法,可以用较少的参数,方便地建立植物的可交互模型,可以让模型以任意方式变换。同时对Bezier曲面建模提出了面片建模的改进方法。

基于基因表达式编程的植物形态建模智能化方法

针对人为操作L系统进行植物形态建模时存在盲目性和低效性的问题,该文提出一种智能化的植物形态可视化建模方法。该方法利用基因表达式编程思想自动获取L系统产生式规则,进而模拟出特定的植物形态结构。在分析现有工作的基础上,提出限制性的初始种群设计策略和种群个体选择策略,以缩小算法的搜索范围;提出一种综合外围轮廓比较和Hausdorff距离计算的个体适应度评价函数,以自动筛选出每一代中的优良个体。该方法使用OpenGL在NVIDIA GeForce3图形硬件上实现。试验结果表明,该方法不仅能逼真地模拟指定植物的三维形态,还可以仿真出形态各异的植物图形。该方法可为虚拟植物建模提供参考。

一种植物花瓣形态建模的新方法

提出了一种植物花瓣形态建模的新方法,可以简单易行地模拟较高真实感的花瓣。该方法以两个光滑连接的半椭圆组成的平面为花瓣初始轮廓模型,选取半椭圆上对称点所构成线段的等分点为采样点,沿平面法向量方向调整采样点的位置得到花瓣轮廓,按点填充完成花瓣形态建模。法向量调整方式有点状、线状和点线混合三种。实验结果表明,新方法能模拟有凹凸表面的不同植物花瓣。

一种面向机器人的超市形态建模方法

结合超市经营客观实际,围绕环境、商品、货架形态建模过程遇到的体系结构、关键症结解决对策等展开深入讨论,给出了问题处置策略、指导原则与技术路线。

肝脏形态建模中的图像处理技术

在肝脏形态建模中,需要用到大量的数字图像处理技术。对以下五个方面的技术进行介绍:肝脏的自动分割、血管分割、多相期和多模图像的配准、血管的平滑与重建、肝段的划分,并给出结果。

树结构在植物形态建模中的扩展及其应用

植物形态建模即建立植物拓朴结构及其几何表示是植物模拟的关键。为此,对传统的树结构进行扩展,建立一种新的树结构。这种新的树结构一方面与植物生长发育的过程相符,另一方面也容易实现。

鲜花形态建模与可视化技术研究

鲜花形态建模与可视化技术被广泛应用于计算机动画、游戏以及农学教学和科研等领域。以玫瑰花为研究对象,通过对玫瑰花形态结构的观测分析,建立了玫瑰花的三维几何模型。然后在VC++6.0下结合OpenGL图形库,绘制了玫瑰花的三维形态,并对其进行了着色、纹理映射、光照等处理,使建立的模型更加形象逼真,最后模拟了玫瑰花开放过程,从实验结果来看,模拟的玫瑰花开放过程具有较强的真实感。

一种新的树结构及其在植物形态建模中的应用

植物模拟是计算机图形学中的研究热点，而形态建模是植物模拟的关键。本文对传统的树结构进行扩展，建立一种新的树结构。这种新的树结构一方面与植物生长发育的过程相符，另一方面也容易实现。

仿生鱿鱼流体形态建模与数值模拟

随着人工智能与科技手段的逐步发展与提升,鱼类形态特征的研究与鱼类游动减阻机制对于仿生机器鱼设计与复杂游动行为至关重要。以茎柔鱼(Dosidicus gigas)为研究对象,通过对茎柔鱼样本进行视觉图像采集,利用计算机视觉技术提取生物样本形态特征,根据生物特征长度建立生物形态外轮廓方程与三维简化模型,采用数值模拟与四面体非结构网格的方法,计算分析仿生鱿鱼在高速游动过程中的流场特性。分析表明:基于轮廓方程的仿生鱿鱼简化模型在高速游动时具有较低的游行阻力,速度达13.89 m/s且俯仰角度在±30°内,其阻力系数为0.0004~0.0011,揭示了生物游动时其形态在减阻机制中的重要性;鱿鱼在高速游动时该种姿态为其完成俯仰、转向等奠定了流体形态基础。因此基于生物形态的外轮廓特征与计算流体力学方法为仿生鱿鱼进一步的设计与研究提供了参考依据。

生理点配准的颅面局部形态关系建模

为提高对颅骨与面皮之间形态关系建模的准确度,提出一种生理点配准的颅面局部形态关系建模方法。以特征点对应关系为约束条件,基于TPS变形实现颅面初配准;根据欧氏距离与局部几何特征的加权距离确定顶点的最优生理对应关系,建立分类颅面模型库;将颅面形态关系建模问题分解为对每一面皮生理点各坐标分量建模的子问题集,运用单因变量多自变量PLSR,以面皮生理点的各坐标分量为因变量,选取显著相关的颅骨生理点相应坐标分量为自变量,建立由各面皮生理点坐标计算模型构成的局部形态关系模型。实验结果表明该方法可更准确有效地描述颅面形态变化关系。

水工复杂曲面尾水管的几何建模与形态分析

尾水管是水工建筑物中比较复杂的空间曲面之一,采用计算机辅助设计软件AutoCAD及造型软件3DS MAX对尾水管进行拟实建模及形态分析,加深了人们对其复杂结构、曲面类型、工作原理的理解,提升了尾水管制图的精度,降低了设计难度。研究中所积累的技术与方法能够促进计算机拟实技术的发展,为更多水工曲面的研究提供借鉴,也可为其他领域的设计工作提供帮助。

基因表达式编程在重金属形态预测建模中的应用研究

提出一种改进的GEP(Gene Expression Programming)算法。根据重金属(HM)形态随时间变化(HMFT)的特点,建立基于跳跃基因表达式编程(JM-GEP)的重金属形态预测模型。跳跃算子是该模型的关键。为了保持种群多样性,研究最优保留策略GEP的收敛特性,跳跃算子采用自适应的跳跃概率。针对改进后的JM-GEP算法,提出一种基于GEP的重金属形态预测建模方法。仿真结果表明新模型更适合于HMFT的特性函数,找到全局最优解,且明显优于经典GEP算法及其他算法。该新模型方法还可广泛用于其他时间序列预测问题的研究。

3维植物叶片精确建模和绘制技术研究

准确、灵活的叶片模型对植物建模具有重要的意义,但目前大部分植物叶片曲面模型没有提供足够的准确性和细节描述。为了给生成准确、细致的叶片几何模型提供灵活的方法,即首先利用B样条曲线来描述叶片的边缘轮廓和主脉;然后用Delaunay三角化方法对叶片曲面进行网格化;最后通过改进Loop细分规则的自适应细分方法来优化叶片曲面,从而为植物叶片提供了一种灵活的3维几何造型描述方法。由于B样条曲线能够很好地描述大部分植物叶子的轮廓,Delaunay三角化方法的使用又解决了包含多个裂片的叶片曲面的网格化问题,而自适应曲面细分方法则不仅使得生成的空间曲面具有更高的光滑度,同时可使得生成的叶片曲面能够进行卷曲变形。实验结果充分表明,该方法是有效的。

虚拟植物叶片的可视化建模技术研究

植物叶片的真实感建模技术一直是虚拟植物仿真技术的研究热点和难点。从植物叶片的形态结构和纹理特征出发,提出一种基于图像的树叶仿真方法。通过对一幅树叶图像进行边缘检测并配合Marching Square算法,实现对树叶复杂轮廓信息的准确提取;利用Delaunay三角剖分的优化算法对叶片进行三角形网格化处理,得到具有均匀三角形网格的叶片模型;最后以叶脉作为变形控制骨架,采用基于Laplace方程的迭代变形算法完成二维叶片向三维变形叶片的重建,以模拟叶片表面的自然弯曲变形效果,增强叶片模型的真实感。相比于以往的树叶建模仿真方法,突出了叶脉在网格划分及树叶形变中所起的作用,所建模型能更逼真地反映真实植物叶片的形态特征,提高了叶片的真实感仿真程度。

数字化人体建模及其应用

数字化人体是应用现代信息技术,将人体结构和功能数字化、可视化,并建立能被计算机处理的数字模型。介绍了数字化人体的定义、发展阶段及数字化人体建模的研究目的、研究内容、研究框架及研究策略等,从人体的形态建模和知识建模两方面简述了人体数字化建模的研究进展和研究成果,总结了数字化人体模型在数字医学中的应用,并展望了其发展趋势。

三维植物叶片萎蔫变化实时模拟

为了真实模拟在缺水、高温等条件下植物叶片的萎蔫变形过程,结合植物叶片生理特征和物理特征,采用改进的单层质点-弹簧结构实时模拟了植物叶片萎蔫变形,较好地实现多种具有不同叶脉结构的植物叶片在三维空间中的动态萎蔫变形过程.首先从真实植物叶片的数字图像中提取叶片的边缘轮廓和叶脉,并在此基础上建立叶片的曲面网格模型;然后通过叶片曲面网格建立叶片的质点-弹簧变形模型,考虑到叶肉和叶脉结构在植物叶片萎蔫变形中具有不同的作用,将质点-弹簧模型中的质点分为叶脉质点、叶缘特征点和普通质点3类,同时设置不同的受力约束使不同类型的质点具有不同的运动方式;最后对叶脉位置上的弹簧和其他弹簧设置不同的收缩强度,以突出叶脉对叶片形变的主导作用.实验结果表明,该方法能够较好地模拟不同形态结构的植物叶片的萎蔫变形过程,满足实时交互的需要.

实测数据驱动的小型植物三维重建研究

以小型植物为对象,根据植物的形态结构特点,采用三维数字化技术获取植物主干和枝条的空间信息,重建植物枝干骨架拓扑结构模型;然后以植物器官的三维网格模型为模板,结合不同器官在植物上的生长规律,实现植物形态结构的精细三维重建.实验结果表明,该方法能较好地实现不同类型小型植物不同生长时期植株形态结构的多分辨率三维重建,用户可以根据需要调整三维模型的精细程度,从而为开展植物株型分析研究、植物品种展示及植物三维资源库开发等应用提供了简单、灵活的技术.

应用OpenGL建立机器人可视化仿真系统

通过对机器人系统的位置、速度和加速度的分析,在VC的开发环境下构建了一个基于OpenGL的机器人可视化仿真系统。

数字植物研究进展:植物形态结构三维数字化

数字植物围绕农林植物生命、生产和生态系统的多维信息高效感知和认知的理论、技术和方法,通过多学科交叉合作,研究农林植物-环境3D数字化、高通量信息获取、情景感知、信息融合、结构和功能模拟、数字化设计和精准管理决策等数字农业的关键性、基础性以及共性理论和技术问题。植物形态结构的三维数字化是数字植物研究的重要组成部分,近年来很多学者从植物组织、器官、植株和群体等不同尺度,或者从植物根系和地上部等不同视角,围绕植物形态结构的参数测量、几何结构解析、三维模型构建、结构与功能建模,以及三维植物模型真实感展现等需要,开展了更深入的研究。在组织尺度方面,随着MRI、CT、显微成像等技术产品的不断成熟,使得利用这些先进测量仪器获取和测量植物组织内部结构数据成为可能,并被越来越多的研究者采用,成为进行植物内部形态结构测量和分析的有效手段。在植物根系的三维数字化方面,由于植物的根普遍生长在土壤里,观察和测量十分困难。虽然近年来XCT、MRI等穿透射线成像技术已越来越多地用于根系的形态结构探测,但这类技术往往仅能获取范围较小的根系局部数据,且价格昂贵。因此植物根系形态结构的准确、无损(原位)、快速测量仍然是一个挑战。在群体尺度方面,基于实测数据的三维重建逐渐成为植物群体三维重建的主要途径,研究者正试图从激光三维扫描仪获取的植物群体三维点云中提取群体的形态参数并实现群体的三维重构。而在三维植物模型的真实感绘制方面,如何准确地测量各种植物器官的光学特性并建立相应的数学模型是当前的研究重点,虽然已有不少研究者提出了相应的解决方案,但这些方法在便捷性和普适性方面仍然难以令人满意,有待更多深入研究。笔者最后结合相关领域的技术进展对数字植物的进一步研究进行了展望。