小麥生長的三維建模研究

張利偉 趙明富 許睿

（河南科技學(xué)院信息工程學(xué)院，河南新鄉(xiāng) 453000）

小麥生長的三維建模研究

張利偉 趙明富 許睿

（河南科技學(xué)院信息工程學(xué)院，河南新鄉(xiāng) 453000）

基于小麥各部分器官形態(tài)特征參數(shù)，利用3DSMAX搭建小麥器官三維幾何模型。結(jié)合計算機圖像圖形學(xué)技術(shù)，以VS 2010為開發(fā)平臺，基于OpenGL對小麥器官的三維模型進行真實感顯示處理，實現(xiàn)小麥形態(tài)三維可視化模型構(gòu)建。

3DSMAX；三維可視化；OpenGL；小麥

20世紀(jì)60年代起，研究人員基于植物的生長規(guī)律，通過建立相應(yīng)的虛擬植物模型，開啟了對植物生長過程的數(shù)字化、定量化研究的新時代［1］。

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，對于虛擬植物的研究主要形成了2個方向：一個是以逼真再現(xiàn)植物外形為目的的植物外觀形態(tài)模擬，該類研究主要應(yīng)用于科研農(nóng)技推廣、農(nóng)業(yè)生態(tài)景觀模擬、作物知識教育教學(xué)、三維特效制作等；另一個是在前一種研究的基礎(chǔ)上，利用計算機對真實作物的生長過程進行模擬，該類研究將農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)與作物生長過程模型的互補結(jié)合，在農(nóng)作物產(chǎn)量預(yù)測、土地生產(chǎn)力評價、農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害預(yù)警等方面，具有重要的指導(dǎo)意義。

通過查閱大量文獻不難發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)外在虛擬植物方面有很多研究。諸如基于L系統(tǒng)的Virtual Plant（澳大利亞），AMAP系列軟件（法國）等，該類軟件基于計算機圖像圖形學(xué)技術(shù)，建立了基本的植物器官庫，但不足之處在于植物器官的細節(jié)描述不夠完善。

本文擬將小麥作為研究對象，基于小麥形態(tài)特征參數(shù)，利用3DSMAX構(gòu)建小麥器官的三維幾何模型。在此基礎(chǔ)上，利用OpenGL三維圖形處理相關(guān)庫函數(shù)，對小麥器官模型進行顏色、光照、紋理等圖形真實感顯示處理，實現(xiàn)精確構(gòu)建小麥形態(tài)三維可視化模型（見圖1）。

該模型的建立及研究，將為后續(xù)小麥生長發(fā)育過程三維動態(tài)模擬模型研究打下扎實基礎(chǔ)。同時，通過建立該小麥的三維可視化模型，也將為小麥的理想株型篩選，高產(chǎn)、高效、抗倒伏設(shè)計與優(yōu)化等提供技術(shù)依據(jù)。

圖1 小麥形態(tài)三維可視化模型技術(shù)框架

1 小麥器官構(gòu)建

1.1 麥穗建模

小麥?zhǔn)琼斏绷?fù)穗狀花序結(jié)構(gòu)。麥穗主要由穗軸、麥粒及麥芒構(gòu)成，其中麥芒斷面為規(guī)則或不規(guī)則的三角形。下面將簡要介紹這幾部分小麥器官的計算機三維結(jié)構(gòu)體構(gòu)型。

通過觀察總結(jié)麥穗結(jié)構(gòu)，筆者擬采用圓柱體作為小麥穗軸，橢球體作為麥粒的基礎(chǔ)幾何模型。亦即在這兩種幾何結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，利用3DSMAX軟件，延伸繪制出各麥粒及麥芒等器官的基本構(gòu)型。繪制步驟簡述如下：①在前視圖中，繪制出麥粒大小的橢球型，作為麥粒的基礎(chǔ)構(gòu)型；繪制出偏圓柱體作為小麥穗軸及麥粒穗梗，穗軸與穗梗的夾角保持為φ，φ由麥粒的短半徑及長半徑共同決定；②將二者轉(zhuǎn)換為可編輯多邊形，通過適當(dāng)旋轉(zhuǎn)、平移后，拼接成單個小麥穗；③在麥粒頂點處，使用拉伸的方法，繪制出單個麥粒的三角錐體的麥芒部分，注意麥芒的長度與麥粒長徑的關(guān)系；④重復(fù)步驟①②③，經(jīng)多次調(diào)整各小麥穗位置，繪制出麥穗三維結(jié)構(gòu)體；⑤適當(dāng)利用網(wǎng)格平滑手段，對穗軸與穗梗、麥粒與穗軸、麥芒與麥粒等各拼接處做平滑處理。

1.2 莖稈建模

一般小麥莖稈由節(jié)和節(jié)間組成。節(jié)間的長度受到其自身品種的遺傳基因影響，同時也會受到其生長的生理生態(tài)環(huán)境（如氣候、調(diào)節(jié)劑、栽培措施等因素）的制約。因此，節(jié)間長度等相關(guān)參數(shù)，此處不作為研究重點，統(tǒng)一采用平均節(jié)間長度作相應(yīng)簡化描述處理。

相對于麥穗而言，小麥莖稈較為規(guī)則。筆者擬采用規(guī)則的圓柱體作為小麥莖稈的基礎(chǔ)幾何結(jié)構(gòu)，基于節(jié)間長度、小麥穗軸半徑等參數(shù)，搭建小麥莖稈三維模型。同樣，為了使小麥莖稈與麥穗拼接處平滑過渡，故采用網(wǎng)格平滑手段，對生成的多邊形模型加入平滑效果。

1.3 葉片建模

長條形是小麥葉片的主要形狀，經(jīng)統(tǒng)計測量不難發(fā)現(xiàn)，其葉片長度是其葉片寬度的5～7倍。同時，不同品種的小麥葉片厚度不相同，造成了葉片質(zhì)量的各不相同。這些也在一定程度上影響了小麥葉片的空間姿態(tài)。

通過對現(xiàn)有小麥葉片繪制方法的分析，本文擬采用斜拋運動，作為小麥葉片空間擬合曲線。首先，基于葉片長度、葉片比重及葉片在小麥莖稈上的生長角度等相關(guān)參數(shù)，大致確定出小麥葉片的空間斜拋運動基本參數(shù)。然后，在頂視圖中，利用實線繪制出小麥葉片的基本形狀。使用曲面工具，適當(dāng)調(diào)整相關(guān)參數(shù)，用以創(chuàng)建小麥葉片形狀及曲面。使用噪波修改器，適當(dāng)?shù)貫槿~片添加起伏效果。使用彎曲命令，基于小麥葉片的空間斜拋運動基本參數(shù)，適當(dāng)調(diào)整葉片彎曲程度。經(jīng)過多次旋轉(zhuǎn)、平移及復(fù)制等操作，完成小麥葉片的三維構(gòu)型。最后，使用網(wǎng)格平滑手段，為葉片表面及葉片與莖稈銜接處進行平滑處理。

2 小麥三維模型構(gòu)建

2.1 Visual Studio 2010的OpenGL環(huán)境的搭建

Visual Studio 2010由微軟公司推出，其IDE的界面被重新設(shè)計和組織，是目前較為流行的Windows平臺開發(fā)環(huán)境。OpenGL的全稱為Open Graphics Library，是專業(yè)的圖形程序接口。其定義跨編程語言、跨平臺的編程接口規(guī)格，通常用于三維圖像編輯及處理等工作。

本文以VS 2010為開發(fā)平臺，調(diào)用OpenGL庫函數(shù)，對前一階段基于小麥各部分器官形態(tài)特征參數(shù)構(gòu)建的三維模型實現(xiàn)渲染，主要是由于OpenGL庫函數(shù)功能強大，底層圖形庫調(diào)用極其方便，同時VS2010編寫程序有比較好的“糾錯”功能，兩者相互取長補短，可大大減少程序編寫過程中的工作量。環(huán)境搭建過程簡述如下：首先，將頭文件glut.h，動態(tài)鏈接庫文件glut.dll、glut32.dll，靜態(tài)數(shù)據(jù)連接庫文件glut.lib、glut32.lib正確放置到對應(yīng)的盤符位置；然后打開VS2010，新建空的控制臺項目后，在新建項目屬性中，設(shè)置包含上述頭文件及庫文件目錄即可。

2.2 小麥模型渲染

在該步驟中，需要對上述過程中建立的小麥三維幾何模型進行顏色渲染、光照處理等真實性處理。

在顏色渲染中，綜合考慮RGBA模式和顏色索引模式，筆者擬采用RGBA模式對小麥器官模型進行渲染處理。處理過程即是調(diào)用函數(shù)glColor(TYPE r,TYPE g, TYPE b)，通過設(shè)置參數(shù)r、g、b 3個參數(shù)值，分別對小麥麥穗、莖稈、葉片等部位進行顏色設(shè)置。

在光照處理中，利用OpenGL中近似模擬平行光源，為繪制的小麥三維圖形增加立體感。處理過程即是調(diào)用函數(shù)gl Lightfv()、gl Enable()、gl Light Modelfv()、gl Materi?alfv()，通過設(shè)置所采用平行光源的位置、強度、顏色強度等相關(guān)光源屬性，光照模型相關(guān)屬性以及小麥器官的相關(guān)材質(zhì)屬性，并使其有效工作。后續(xù)還進行了紋理映射等相關(guān)真實性顯示技術(shù)處理，生成了形象逼真的小麥器官圖形，實現(xiàn)了小麥生長的可視化。

3 結(jié)論

本文首先利用3DSMAX，基于小麥各部分器官形態(tài)特征參數(shù)，搭建了小麥模擬模型。然后，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合計算機圖形學(xué)技術(shù)，以VS 2010為開發(fā)平臺，結(jié)合OpenGL構(gòu)建出了小麥形態(tài)三維可視化模型。結(jié)果表明，該方式下構(gòu)建的小麥形態(tài)三維可視化模型形態(tài)，具有較強的真實感。同時，該方法也可為大麥、水稻等農(nóng)作物的可視化研究提供依據(jù)。

［1］溫維亮，郭新宇，趙春江，等.作物根系構(gòu)型三維探測與重建方法研究進展［J］.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)，2015（3）：436-448.

Study on Three Dimensional Modeling of Wheat Growth

Zhang LiweiZhao MingfuXu Rui
（School of Information Engineering，Henan Institute of Science and Technology，Xinxiang Henan 453000）

Based on morphology characteristic parameters of wheat organs,the three-dimensional geometric model of wheat organs was constructed by using 3DSMAX.Combined with computer image graphics technology,taking VS 2010 as the development platform,the three-dimensional model of wheat organs was used to show the real sense by OpenGL,to realize the 3D visualization model construction of wheat form.

3DSMAX；3D visualization；OpenGL；wheat

TP391.9；S512.1

A

1003-5168（2016）12-0032-02

2016-11-08

本文系2014年度新鄉(xiāng)市科技創(chuàng)新平臺建設(shè)項目（編號CP1406）的階段性研究成果。

張利偉（1988-），男，碩士，助教，研究方向：數(shù)字圖像處理，電子信息工程。

趙明富（1964-），男，教授，碩士生導(dǎo)師，校信息與通信工程一級重點學(xué)科學(xué)術(shù)帶頭人，研究方向：農(nóng)業(yè)信息化，信號處理與智能控制技術(shù)。