基于OpenGL的玉米可視化技術(shù)研究

基于OpenGL的玉米可視化技術(shù)研究摘要：以玉米莖節(jié)、葉片、穗等各器官為研究對(duì)象，基于OpenGL技術(shù)實(shí)現(xiàn)玉米各器官的3D逼真顯示，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)玉米的三維可視化系統(tǒng)。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，根據(jù)玉米特性、各器官的形態(tài)特征參數(shù)和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)參數(shù)，運(yùn)用VC＋＋和OpenGL在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)玉米各器官、植株的靜態(tài)建模及動(dòng)態(tài)生長(zhǎng)過(guò)程。該項(xiàng)目研究成果可以直接用于教學(xué)演示，并為作物研究提供了更為便捷的、新的研究手段。關(guān)鍵字：玉米；幾何建模；渲染；3D動(dòng)態(tài)顯示農(nóng)作物的三維過(guò)程數(shù)字化顯示，也就是虛擬作物，對(duì)農(nóng)業(yè)科研、生產(chǎn)、教學(xué)有著極大的應(yīng)用價(jià)值。農(nóng)作物與我們?nèi)粘Ｉ蠲芮邢嚓P(guān)，以計(jì)算機(jī)為手段對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)進(jìn)行建模與仿真，對(duì)我國(guó)這樣一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)極為重要。計(jì)算機(jī)能以真實(shí)感模擬作物的三維生長(zhǎng)的關(guān)鍵是作物的三維幾何形態(tài)建模和計(jì)算機(jī)可視化技術(shù)，即計(jì)算機(jī)可視化技術(shù)的發(fā)展使得模擬作物動(dòng)態(tài)生長(zhǎng)過(guò)程成為可能。 虛擬作物是以作物為對(duì)象，具有三維效果和可視化特點(diǎn)；它可以實(shí)現(xiàn)在很短的時(shí)間內(nèi)，不必實(shí)際種植，利用計(jì)算機(jī)模擬顯示作物生長(zhǎng)的整個(gè)過(guò)程。虛擬作物的研究工作在國(guó)內(nèi)外已有很多,開(kāi)發(fā)出很多虛擬作物軟件。相對(duì)于水稻、小麥等農(nóng)作物，玉米的形態(tài)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，研究玉米形態(tài)可視化技術(shù)可為玉米生長(zhǎng)可視化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供技術(shù)基礎(chǔ)。1項(xiàng)目研究目標(biāo) 1)研究作物器官的幾何建模方法，并基于OpenGL建立玉米各器官的較逼真的幾何模型。 2)掌握基于OpenGL實(shí)現(xiàn)玉米器官幾何模型的真實(shí)感渲染方法。 3)建立玉米植株的可視化模型。 4)開(kāi)發(fā)玉米形態(tài)可視化原型系統(tǒng)。玉米的形態(tài)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，研究玉米形態(tài)可視化技術(shù)可為玉米生長(zhǎng)可視化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供技術(shù)基礎(chǔ)。本研究以玉米作物為對(duì)象，基于OpenGL技術(shù)實(shí)現(xiàn)玉米作物器官的3D靜態(tài)逼真顯示，開(kāi)發(fā)作物器官動(dòng)態(tài)演示系統(tǒng)。將計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)應(yīng)用于作物形態(tài)結(jié)構(gòu)分析，根據(jù)對(duì)作物器官形態(tài)結(jié)構(gòu)主要特征構(gòu)建參數(shù)化的幾何模型，實(shí)現(xiàn)進(jìn)行作物器官、個(gè)體的可視化展示。該項(xiàng)研究成果將為作物形態(tài)結(jié)構(gòu)研究提供了新的研究手段，并為作物的虛擬顯示探索新方法。研究利用了玉米的三維形態(tài)幾何模型，采用面向?qū)ο蟮姆椒?，?duì)玉米各器官作為單獨(dú)的對(duì)象進(jìn)行處理，采用模型-文檔-視圖的方法，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了玉米三維可視化系統(tǒng)，對(duì)玉米的莖、葉、穗分別建立了靜態(tài)模型，實(shí)現(xiàn)了玉米各器官和單株三維靜態(tài)建模及動(dòng)態(tài)生長(zhǎng)。2項(xiàng)目的主要研究?jī)?nèi)容 1)玉米器官幾何模型的建立 研究如何基于玉米器官的形態(tài)特征參數(shù)（葉長(zhǎng)、葉寬、節(jié)間長(zhǎng)、節(jié)間粗等），建立玉米各器官（莖節(jié)、葉片、雄穗和雌穗）的幾何模型，并基于OpenGL圖形庫(kù)實(shí)現(xiàn)各器官的靜態(tài)繪制。 2)基于OpenGL實(shí)現(xiàn)作物器官幾何模型的真實(shí)感渲染方法 運(yùn)用OpenGL技術(shù)對(duì)已繪制好的玉米器官加以光照、紋理等效果，從而實(shí)現(xiàn)玉米器官的逼真顯示。 3)研究如何基于玉米植株的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特征，將各器官組織成植株個(gè)體，實(shí)現(xiàn)玉米植株的可視化。 4)開(kāi)發(fā)玉米形態(tài)結(jié)構(gòu)可視化系統(tǒng) 利用VC++語(yǔ)言結(jié)合OpenGL圖形庫(kù)，構(gòu)建玉米形態(tài)結(jié)構(gòu)可視化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)玉米器官、植株的3D顯示。項(xiàng)目的技術(shù)路線項(xiàng)目的技術(shù)路線如圖1所示：對(duì)國(guó)內(nèi)外已有研究的學(xué)習(xí)與分析，收集對(duì)本項(xiàng)目有用的資料對(duì)國(guó)內(nèi)外已有研究的學(xué)習(xí)與分析，收集對(duì)本項(xiàng)目有用的資料研究作物器官器官幾何建模方法收集玉米主要生育期各器官的生長(zhǎng)圖片，觀測(cè)分析玉米各器官的形態(tài)結(jié)構(gòu)特征根據(jù)玉米各器官的形態(tài)特征參數(shù)，建立器官的靜態(tài)幾何模型。對(duì)玉米各器官的幾何模型添加顏色、光照等，生成形象逼真的玉米器官。實(shí)現(xiàn)玉米植株3D動(dòng)態(tài)顯示構(gòu)造基本圖元，來(lái)模擬玉米的規(guī)則形狀的器官(如節(jié)間、玉米籽粒等)，基本圖元可以結(jié)合為更復(fù)雜的復(fù)合圖元，用于描述更為復(fù)雜的玉米器官（如穗）。將各器官組織成個(gè)體，實(shí)現(xiàn)玉米植株的個(gè)體可視化。圖1項(xiàng)目技術(shù)路線4器官幾何建模4.1玉米雌穗幾何建模 玉米雌穗結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，雌穗建模包括構(gòu)建籽粒、穗軸和苞葉3部分內(nèi)容。 玉米籽粒形狀較為光滑，每個(gè)籽粒可以近似看做一個(gè)球體(圖2-1)。圖2-1圖2-2圖2-3圖2玉米雌穗幾何建模 單個(gè)玉米籽粒的半徑為r，單個(gè)玉米籽粒的圓心構(gòu)成半徑為R的圓，根據(jù)R和r的設(shè)定，形成一行玉米籽粒，如圖2-2所示。并對(duì)單個(gè)籽粒進(jìn)行一定的縮放使玉米籽粒的個(gè)體更為凸顯。 用圓柱和圓臺(tái)模擬穗軸體，圓錐模擬穗軸頂端部分，模型參數(shù)包括穗軸圓臺(tái)半徑、圓柱半徑和頂部半徑、穗軸圓臺(tái)體高度h3、圓柱體高度h2和頂部錐體高度h1，如圖2-3所示。根據(jù)穗軸著生籽粒的行粒數(shù)在穗軸體的軸線方向和截面方向分別劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格交點(diǎn)作為籽粒的生長(zhǎng)點(diǎn)。對(duì)已經(jīng)縮放的籽粒進(jìn)行坐標(biāo)變換使其依附在穗軸體上形成單個(gè)玉米雌穗（圖3）。圖3玉米雌穗形成圖4.2玉米苞葉幾何建模 玉米苞葉包著果穗，苞葉的形狀呈近似圓形，可以用圓弧和圓來(lái)模擬，苞葉基部的封閉部分用圓來(lái)模擬，上部不封閉的部分用圓弧來(lái)模擬，然后對(duì)模型進(jìn)行轉(zhuǎn)換。 苞葉具體建模過(guò)程如下：定義苞葉截面上的圓為截面圓，當(dāng)這些大小不一的截面圓累加起來(lái)，可以近似組合成圓臺(tái)，通過(guò)幾何建模構(gòu)成苞葉的基部。上部不封閉的部分可以看作由截面弧累積組成一個(gè)圓柱截面，由此可以對(duì)上部的苞葉進(jìn)行重新建模，由一個(gè)圓柱然后對(duì)其進(jìn)行側(cè)切割，形成玉米苞葉的上部。函數(shù)參數(shù)有：苞葉基部的圓弧的半徑，圓弧半徑遞減序列差，以及圓柱的圓半徑。圖4-1玉米苞葉幾何建模圖4-2玉米苞葉形成圖圖4玉米苞葉幾何建模4.3玉米葉片幾何建模造型 玉米葉片的三維形態(tài)主要由葉脈空間走向、葉片葉形特征、葉片邊緣特征決定，模型參數(shù)包括葉片長(zhǎng)度、葉片寬度、莖葉夾角、褶皺相對(duì)高度、葉片圓弧的弧度。 本項(xiàng)目對(duì)葉片使用NURBS曲面（非均勻有理B樣條曲面Non-UniformRationalB-Spline）來(lái)建模。如何確定葉的控制點(diǎn)，是NURBS曲面建模的關(guān)鍵。根據(jù)玉米葉片的模型參數(shù)計(jì)算出控制點(diǎn)的位置，從而進(jìn)行玉米葉片的繪制（圖5、圖6）。圖5葉片控制點(diǎn)（圖中黑點(diǎn)為控制點(diǎn)）圖6玉米葉片NURBS曲面4.4玉米雄穗幾何建模造型 玉米雄穗主要由主軸、分枝和小穗構(gòu)成。可從雄穗的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(分枝數(shù)目及在主軸上的空間配置)、分枝造型以及小穗幾何造型3個(gè)方面對(duì)玉米雄穗進(jìn)行數(shù)學(xué)描述和建模。圖7-1圖7-2圖7-3圖7玉米雄穗幾何建模 如圖7-1所示;設(shè)定雄穗主軸豎直向上，與坐標(biāo)系Z軸重合，主軸的末端(與莖連接處)為坐標(biāo)系原點(diǎn)，則可用以下參數(shù)來(lái)描述雄穗的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：雄穗最高位分枝以下的主軸長(zhǎng)度、分枝數(shù)(包括主軸)、各分枝在主軸上著生高度h，分枝夾角w(包括分枝的底端切向與豎直方向夾角w1和分枝底端切向與X軸的夾角w2)。 圖7-2是分枝的幾何造型，主要描述分枝的空間姿態(tài)以及分枝上小穗生長(zhǎng)的位置（由小穗距離d和小穗的與X軸的方位角w確定）。小穗由一個(gè)八面體模擬構(gòu)造，如圖7-3所示。建立的玉米雄穗模型如圖8所示。圖8玉米雄穗形成圖4.5玉米莖節(jié)幾何建模造型 玉米莖由節(jié)和節(jié)間構(gòu)成，其幾何形態(tài)較為簡(jiǎn)單，可用圓柱體來(lái)描述，模型參數(shù)為圓柱的半徑r1、節(jié)間長(zhǎng)h4,根據(jù)模型參數(shù)可重構(gòu)出莖節(jié)形態(tài),如圖9所示。圖9玉米莖節(jié)幾何建模5渲染5.1顏色 為了更為直觀的表現(xiàn)各器官的真實(shí)形態(tài)，我們往往會(huì)給繪制的圖形進(jìn)行顏色渲染，本文采用OpenGL中的RGB模式來(lái)實(shí)現(xiàn)顏色渲染，如圖10所示。圖10-1添加顏色前圖10-2添加顏色后圖10添加顏色的效果5.2材質(zhì)和光照 加入材質(zhì)和光照使圖形顯示更加逼真，具有立體感。OpenGL中包括環(huán)境光，漫反射光和鏡面反射光三種。通過(guò)三種光的參數(shù)設(shè)置和不同的光源位置以達(dá)到圖形顯示的真實(shí)性，如圖11所示。圖11添加材質(zhì)和光照的效果5.3紋理 給繪制的圖形貼上紋理，使得圖形的顯示與現(xiàn)實(shí)生活更加接近。紋理圖片需要從真實(shí)照片中選取，結(jié)合圖形的造型（如葉片）建立紋理控制點(diǎn)，將紋理貼到圖形上，從而使圖形的顯示更為逼真，如圖12所示。圖12葉片添加紋理的效果6玉米植株的形成 使用OpenGL中的顯示列表，將葉片和莖組合成一個(gè)整體，根據(jù)各個(gè)時(shí)期的生長(zhǎng)形態(tài)進(jìn)行各器官不同的參數(shù)調(diào)用，從而構(gòu)造出不同時(shí)期的玉米靜態(tài)植株。 根據(jù)植株形成的原理，結(jié)合MFC功能函數(shù)，可以模擬玉米植株的動(dòng)態(tài)生長(zhǎng)，如圖13所示。圖13玉米苗期、抽穗期、成熟期可視化效果圖7系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) 系統(tǒng)是在VisualStudio2005平臺(tái)上開(kāi)發(fā)的，采用VC++語(yǔ)言結(jié)合0penGL圖形標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行代碼編寫(xiě)，系統(tǒng)運(yùn)行界面如圖14所示。 圖14系統(tǒng)運(yùn)行界面8總結(jié) 該項(xiàng)目對(duì)玉米三維重構(gòu)及可視化系統(tǒng)所采用的關(guān)鍵技術(shù)和軟件體系作了相關(guān)的學(xué)習(xí)研究。通過(guò)基于參數(shù)化的器官幾何建模方法描述了