重瓣花卉植物的三维重建与动态模拟研究

发布时间：2020-08-15 08:34

【摘要】：虚拟植物的可视化是林业信息化的要素,也是实践数字林业的重要课题,虚拟植物的动态可视化与数字化展示在构建我国智慧林业、传播知识、弘扬生态中具有重要的现实意义。随着虚拟仿真技术、计算机深度学习、图形图像技术和三维扫描技术等信息技术的快速发展,虚拟植物的计算机模拟已经成为探索生物系统运行规律及验证假设的有力工具,从结构重建到形态模拟的相关虚拟植物研究体系也日趋完善。然而,观赏类花卉植物的虚拟仿真研究相对滞后,虚拟花卉植物因其种类多样性和形态复杂性,特别是复杂稠密的重瓣花卉成为计算机模拟仿真的一大难点。如何实现重瓣花卉植物的结构仿真与动态模拟,拓展其重建模型应用的广度和维度,成为论文的主要研究目标。由此,围绕这一研究目标,本文分析了现有虚拟花卉植物仿真中存在的问题和常用的技术手段,提出了基于点云数据进行三维重建和形态可视化的研究框架与可行方法,针对重瓣花卉的点云数据预处理、三维重建及动态模拟等关键技术进行了深入研究,并针对重建模型的应用型系统开发进行了拓展研究,主要研究内容如下:1、论文以重瓣花卉作为研究对象,以基于点云数据的花卉植物三维重建与动态模拟研发为总体框架(简称为DMSDA-PLANT),探究如何最为科学全面的从自然花卉中提取其生长数据,并形成数据信息的采集、提取、转化、重建及应用的科学化研发路线,最终实现科学数据信息引导虚拟花卉仿真的应用化研究框架。本框架体系可以最大化采集植物数据,最大化降低植物损害,最大化拓宽数据应用领域,特别是对于名贵稀有花卉植物进行数字化保护具有重要的现实意义,也是对于林业信息化理论研究的积极探索。2、针对重瓣花卉结构复杂、遮挡严重、点云重建困难的问题,提出了差异性定位法、曲线节点定制法、标记配准拼接法、分类式孔洞修复法、多量化样本采集法等一系列有效采集方法,以及点云数据预处理的技术优化策略,获取到基于阶段性样本结构的点云数据,形成科学而全面的花卉三维点云数据,为下一阶段花卉结构的真实感再现和动态模拟研究提供有力的数据支撑。3、针对花卉生长过程中阶段结构的追踪数据,提出基于点云数据的花瓣生长曲线提取与拟合方法。首先通过对重瓣花卉拓扑结构分析,采用局部特征面提取法对一个样本花瓣的五个生长阶段数据分别生成;其次对以上数据进行多项式拟合,并完成点云花瓣生长函数公式;然后通过自由变形算法对拟合的生长函数公式引入运行,实现花卉生长形变模拟;最后,采用真实感渲染技术构建出相似度较高、科学性较高的月季虚拟花卉模型,实现重瓣月季由数据模型向动画模型的应用转变。4、基于重建模型的系统开发与技术应用问题,验证DMSDA-PLANT框架的可行性,本文基于重建模型研发了交互技术不同、应用环境不同、受众目标不同的两款系统。一款是基于增强现实的可视化与交互技术,着重采用Unity3D和Vuforia建构系统的框架结构和交互技术,形成“美在指尖”AR移动端应用;另一款是基于全息影像可视化和交互实现,着重采用多通道输出与XML文件实现270°全息展示与交互,形成“花之影”柜体式展示系统。将三维重建的月季模型进行不同技术的应用开发,不仅满足了用户多层次的观赏需求与交互体验,还最大限度地实现了对虚拟花卉植物全方位、多维度的可视化表达。
【学位授予单位】：北京林业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S68;TP391.41;TP391.9
【图文】：

组织结构图,论文研究,论文,组织结构

图１－１论文研究的技术路线逡逑Ｆｉｇ．邋１－１邋Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ邋ｒｏｕｔｅ邋ｏｆ邋ｔｈｅｓｉｓ邋ｒｅｓｅａｒｃｈ逡逑１．４论文的组织结构逡逑本文的全部内容共分为六章，具体结构如下：逡逑第一章：绪论。主要阐述了论文选题的研究背景和研究意义，讨论分析了虚拟花逡逑卉植物及其相关研究领域存在的主要问题，并结合分类调研的文献资料，梳理出论文逡逑的主要研究内容，提出了详细的可行性技术路线。逡逑第二章：虚拟花卉植物三维重建的相关理论。提出了基于点云数据的植物三维重逡逑建与动态模拟研发框架（简称为ＤＭＳＤＡ－ＰＬＡＮＴ）构建，详细阐述了虚拟花卉植物逡逑三维建模和动态模拟过程中的主要关键技术，即图像处理技术与花卉植物三维建模、逡逑虚拟仿真技术与花卉植物动态模拟、三维激光扫描技术与花卉植物信息提取、增强现逡逑实技术与花卉植物科普新方法、全息影像技术与虚拟花卉植物可视化？，通过基于逡逑Ｋｉｎｅｃｔ、Ｃｒｅａｆｏｒｍ邋ＶｌＵｓｃａｎ和Ａｒｔｅｃ三种数据提取技术的实验对比，总结了花并植物逡逑生长数据提取技术的优化实施。逡逑

技术路线图,技术路线

２．２花卉植物动态可视化及其关键技术逡逑２．２．１图形图像技术与植物建模逡逑计算机技术的发展促使图形图像处理技术随之成熟与完善，逐渐成为一门新型学逡逑科。图形图像处理技术主要包括几何变换、图像数字化、建模造型设计（图２－２）及逡逑各种色彩设计等，广泛应用于各个行业的发展中，如工业检测、遥感（图２－３）、侦查逡逑等多个领域。在工业检测领域的应用，主要表现为零部件的无损检测，在遥感领域的逡逑应用，主要表现为筛选和识别卫星传送回来的各种数字图像信息，经过处理之后的信逡逑息可以被应用于地质勘查、森林调查、资源查找等研究工作中（宁莹莹，２０１７）。逡逑１１逡逑

遥感图像,建模造型

逑图２－２建模造型设计逦图２－３遥感图像逡逑Ｆｉｇ．２－２邋Ｍｏｄｅｌｉｎｇ邋ａｎｄ邋Ｍｏｄｅｌｉｎｇ邋Ｄｅｓｉｇｎ逦Ｆｉｇ．２－３邋Ｒｅｍｏｔｅ邋ｓｅｎｓｉｎｇ邋ｉｍａｇｅｓ逡逑植物建模是计算机图形学研究的重要领域之一，而花卉建模是植物建模的重要分逡逑支。经过近四十年的发展，人们在虚拟植物模拟方面建立了大量的仿真模型，其中以逡逑树木器官（枝干和叶片）可视化建模算法研究居多。目前，国内外研究出多种植物叶逡逑片建模方法，从技术手段看主要有：基于机器视觉的植物三维重建、基于三维激光扫逡逑描设备等光学仪器的植物重建、基于精密仪器等断层扫描的植物重建、基于点云的植逡逑物三维重建以及基于图像的植物三维重建。相对于植物树木及树叶的三维可视化研究逡逑而言，国内外植物花卉的三维可视化研宄相对较少，因观赏类花卉植物生长结构的特逡逑点，也使花卉可视化造型成为计算机图形学三维造型中的一大难点（陆玲、杨学东等，逡逑２０１０）。Ｉｊｉｒｉ等人（Ｉｊｉｒｉｅｔａｌ．２００５）使用植物学结构设计了一款基于用户交互的花朵建逡逑模软件，用户可以通过向软件输入花瓣轮廓，结合变形便可获得最终花朵；另外，Ｉｊｉｒｉ逡逑等人（Ｉｊｉｒｉ邋ｅｔａｌ．邋２００８）还采用弹性的三角网格表示花瓣

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