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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