基于形態(tài)結(jié)構(gòu)的麥穗幾何模型構(gòu)建

基于形態(tài)結(jié)構(gòu)的麥穗幾何模型構(gòu)建

0小麥麥穗形態(tài)的可視化表達(dá)植物形態(tài)可視化是虛擬植物研究的一項重要技術(shù)之一。這意味著使用計算機圖形學(xué)技術(shù)，利用三維圖形直觀地顯示植物的生長和形狀。近20年來,國外在這方面進(jìn)行了較多研究,開發(fā)了許多虛擬植物軟件,建立了一些基本的植物器官圖形庫,諸如澳大利亞研制的基于L系統(tǒng)的VirtualPlant軟件,法國研制的AMAP系列軟件等。但這些軟件側(cè)重于計算機圖形學(xué),對植物學(xué)機制研究較少,特別是對植物器官細(xì)節(jié)的研究較少。小麥作為重要的糧食作物之一,其幾何模型的構(gòu)建與可視化研究得到了眾多學(xué)者的關(guān)注,其中,有關(guān)小麥麥穗形態(tài)的可視化模擬研究已有不少。Fournier等基于L系統(tǒng)實現(xiàn)了麥穗可視化;伍艷蓮等構(gòu)建了基于形態(tài)特征參數(shù)的小麥各器官幾何模型,以圓柱體、橢球體等基本幾何圖元實現(xiàn)了麥穗可視化;郭新宇等使用偏圓柱體重構(gòu)穗軸節(jié)片,以二次曲面重構(gòu)穎片和麩片,實現(xiàn)了麥穗的參數(shù)化建模;但上述研究均沒有很好地考慮麥穗的器官如外麩、麥芒等細(xì)節(jié)信息。李梅等提出了基于等高線的三維重建方法來實現(xiàn)麥芒的建模,采用球面變形方程實現(xiàn)了麥粒以及內(nèi)麩和外麩的建模,但僅實現(xiàn)了麥穗中小花的可視化表達(dá)?？傮w來說,以往研究缺乏對麥穗細(xì)節(jié)層面的幾何建模,沒有體現(xiàn)出不同品種、不同處理條件下麥穗的形態(tài)差異,并缺乏相關(guān)的麥穗可視化實現(xiàn)技術(shù)。本文在課題組已有麥穗形態(tài)建成模擬模型的基礎(chǔ)上,結(jié)合麥穗拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),構(gòu)建麥穗三維形態(tài)幾何模型;進(jìn)一步結(jié)合顏色渲染、紋理映射、光照渲染等真實感顯示技術(shù),基于.Net平臺,借助CSOpenGL,實現(xiàn)不同生長條件下麥穗生長過程的可視化表達(dá),為小麥植株生長過程的數(shù)字化可視化奠定基礎(chǔ)。1穗軸的構(gòu)成小麥的穗為復(fù)穗狀花序,由穗軸和小穗兩部分組成(圖1)。其中,穗軸由曲折排列的節(jié)片組成,節(jié)片的長短因品種而異。小穗著生在穗軸節(jié)片上,每個小穗由小穗軸、兩枚護穎和數(shù)朵小花構(gòu)成;每朵小花有外麩和內(nèi)麩各一枚,有芒品種外麩頂端著生芒;開花期,花藥著生于小花頂端。一個麥穗通常有十幾至二十幾個小穗,排成兩行,其長寬、排列松緊程度因品種而異,是構(gòu)成不同穗形的基礎(chǔ);穗軸頂端著生一個頂端小穗,由穗軸延伸而成;穗下部1~2個小穗常常為不結(jié)實小穗,為退化小穗,體積明顯小于結(jié)實小穗。2麥穗幾何模型的構(gòu)建2.1節(jié)片疊加連接穗軸由曲折排列的節(jié)片組成(圖2a)。節(jié)片采用底面為橢圓的圓柱體進(jìn)行模擬,節(jié)片沿穗軸方向交替向外側(cè)傾斜以模擬其曲折排列形態(tài),節(jié)片底部直徑略小于頂部直徑,以達(dá)到相鄰節(jié)片的無縫連接;節(jié)片疊加連接構(gòu)成穗軸(圖3a)。描述穗軸的形態(tài)特征參數(shù)有:穗軸長度、穗軸節(jié)片數(shù)、穗軸節(jié)片直徑。其中,穗軸長度由麥穗形態(tài)模擬模型提供;穗軸節(jié)片數(shù)和節(jié)片直徑為品種參數(shù)。另外,穗軸的描述還涉及到節(jié)片長度,本研究假設(shè)各節(jié)片長度相等,則節(jié)片長度可以通過穗軸長度/穗軸節(jié)片數(shù)計算得到。2.2外麩、麥模擬和護私家車模型由于小穗結(jié)構(gòu)復(fù)雜,研究中對部分器官的幾何模型進(jìn)行了簡化。其中,小穗軸由于短小且隱藏在小穗內(nèi)部,難以被觀察到,因此忽略了對其的建模;小花上僅考慮了對外形形態(tài)影響顯著的外麩、麥芒和花藥,而忽略了內(nèi)麩的建模。外麩以近似半橢球體進(jìn)行模擬,麥芒以橫切面為等邊三角形的三角面片進(jìn)行構(gòu)造,花藥采用非統(tǒng)一有理B樣條(non-uniformrationalb-splines,NURBS)曲面建模;護潁與小花外麩在外形上較為相似,其模擬與外麩相同;最后以護潁和小花為基本單位,經(jīng)平移、旋轉(zhuǎn)等操作組合成小穗。2.2.1外麩曲面控制點外麩幾何模型由穗寬、穗厚、外麩長度、外麩最大直徑等形態(tài)特征參數(shù)進(jìn)行描述,穗寬和穗厚由麥穗形態(tài)模型提供,外麩長度和最大直徑為品種參數(shù)。護潁與外麩形態(tài)結(jié)構(gòu)相似,其模擬與外麩相同。外麩采用近似半橢球體進(jìn)行模擬,設(shè)外麩橫切面為半圓形,平行于XOY平面;縱切面位于XOZ平面,底端直徑較大,頂端呈尖狀,最大半徑約位于外麩的1/3處(圖3b)。對不同小麥品種外麩直徑和長度進(jìn)行歸一化處理后發(fā)現(xiàn),外麩歸一化直徑隨歸一化長度的變化在不同品種間差異不明顯(圖4),外麩曲面控制點可用式(1)計算得到。式中,Vi為當(dāng)前控制點;Vi.x、Vi.y、Vi.z為控制點坐標(biāo),cm;l為當(dāng)前控制點處的橫切面半徑,cm,由式(2)計算得到;θ為當(dāng)前控制點與XOZ平面的夾角,°;dz為外麩曲面Z方向控制點數(shù)量;z為當(dāng)前控制點在Z方向的序數(shù);BL為外麩長度,cm。式中,a、b、c、d為外麩縱向曲線參數(shù);L為當(dāng)前控制點z坐標(biāo)與外麩長度的比值;BR為外麩最大直徑,cm。為正確應(yīng)用紋理渲染,需計算外麩曲面控制點的紋理坐標(biāo),見式(3)。式中,Vi.u、Vi.v為外麩曲面控制點U方向與V方向的紋理坐標(biāo);Ut、Vt為外麩U方向與V方向的最大紋理坐標(biāo),默認(rèn)取值為1,決定外麩紋理貼圖方式;dx、dz為外麩曲面X、Z方向控制點數(shù)量;x、z為當(dāng)前控制點在X、Z方向的序數(shù)。至此,可計算得到外麩曲面各控制點坐標(biāo),然后以三角面片繪制外麩(圖2b)。2.2.2麥針織曲線方程小麥一般分為有芒和無芒2種,有芒品種外麩頂端著生芒,芒斷面為銳角三角形。不同品種其麥芒形狀、長短、芒色和分布表現(xiàn)不一。麥芒根部較粗,沿麥芒方向逐漸變細(xì),中間還有一定的彎曲度(圖2c為麥芒直徑擴大5倍后的效果)。影響麥芒的形態(tài)特征參數(shù)有:麥芒長度,麥芒直徑,麥芒曲線方程參數(shù)a、b、c;其中麥芒長度和直徑由麥穗形態(tài)模擬模型提供,麥芒曲線方程參數(shù)均為品種參數(shù)。麥芒直徑從根部到頂部逐漸減小,可定量描述為式中,L為當(dāng)前長度,cm;ARL為當(dāng)前長度處的麥芒直徑,cm;AL為麥芒長度,cm;AR為麥芒直徑,cm。麥芒中間有一定的彎曲度,通過測量不同品種麥芒從底部到頂部的連續(xù)點坐標(biāo),并將其歸一化處理后發(fā)現(xiàn),麥芒曲線在不同品種間差異顯著,可以用二次曲線方程進(jìn)行描述(圖5)。麥芒采用分格化曲面進(jìn)行構(gòu)造,橫截面用等邊三角形近似模擬。實際繪制時,沿麥芒方向?qū)Ⅺ溍⒎譃镹層(圖3c),首先由麥芒曲線方程計算每層中心點坐標(biāo)式中,MVL為當(dāng)前層的中心點;x、y、z為該點的X、Y、Z坐標(biāo),cm;a、b、c為麥芒曲線參數(shù);L為當(dāng)前長度與總長度的比值。然后以中心點坐標(biāo)為基礎(chǔ)分別計算得出當(dāng)前層橫截面等邊三角形各頂點坐標(biāo);為應(yīng)用紋理映射、光照渲染等真實感顯示技術(shù),計算控制點時還必須同時計算各頂點處的紋理坐標(biāo)以及法向量;最后以三角面片繪制麥芒。有芒品種麥芒著生于外麩頂端(圖2d)。外麩與麥芒的繪制采用了相同的局部坐標(biāo)系,故外麩與麥芒的連接可通過OpenGL提供的glTranslatef(0,0,BL)函數(shù)來完成,其中BL為外麩長度(cm)。2.2.3rbs曲面構(gòu)造花藥由形態(tài)特征參數(shù)花藥長度和直徑進(jìn)行描述,采用NURBS曲面構(gòu)造,基本造型為中間彎曲的圓柱體,頂端呈花瓣狀邊緣(圖2e)?；ㄋ幹谛』敹?圖2f),初期為黃綠色,授粉后呈白色,并隨著生育進(jìn)程逐漸脫落。2.2.4小穗幾何模型一個小穗上通常分化出6~9朵小花,能發(fā)育形成籽粒的僅有2-5朵(圖2g、2h)。小穗基部兩個對稱的護穎外形與外麩相似,僅芒較短,以外麩近似模擬。以小花為基本組成圖元,依據(jù)小穗拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),經(jīng)旋轉(zhuǎn)、平移等操作,構(gòu)建小穗幾何模型(圖3d)。小花夾角α由穗寬與外麩長度依式確定式中SW為穗寬,cm,由麥穗形態(tài)模型提供。2.3麥穗形態(tài)及其參數(shù)小麥的穗為復(fù)穗狀花序,每個小穗著生在各自穗軸節(jié)片上方,排成相對兩行(圖2i)。著生于穗軸節(jié)片的小穗與穗軸節(jié)片間有一定的夾角(圖3e),可由穗厚與外麩長度計算得到。式中ST為麥穗厚度,cm,由麥穗形態(tài)模型提供。頂端小穗的幾何模型與普通小穗略有區(qū)別,著生于穗軸頂端,其著生方向與其他小穗的方向垂直。底端退化小穗以普通小穗模擬,但體積較小。麥穗的形狀、長寬和小穗排列的松緊程度,因品種而異,可分為紡錘形、圓錐形、長方形、橢圓形及分枝形穗等。如寧麥13、徐麥856以及淮麥25的麥穗均為紡錘形,綿麥48、云麥53等的麥穗為長方形。將麥穗形態(tài)分為3層模擬(圖3f),設(shè)參數(shù)T、B分別為麥穗頂部和底部的相對縮放比例,L為穗軸節(jié)片數(shù),則穗軸每一層小穗的縮放比例為式中,i為麥穗所在層數(shù);y為當(dāng)前層麥穗縮放比例,%。組合不同的T、B特征參數(shù),可以模擬除分枝形穗外的所有穗形。如圖2j所示,即為淮麥25的麥穗可視化效果圖。3麥穗表面理化模擬應(yīng)用顏色渲染、紋理映射以及光照渲染等真實感顯示技術(shù),對麥穗的可視化進(jìn)行了渲染。其中顏色渲染采用OpenGL提供的glColor(TYPEr,TYPEg,TYPEb)函數(shù)來設(shè)置麥穗的顏色,其顏色參數(shù)r、g、b由小麥形態(tài)模型中的顏色子模型提供(圖6)。紋理映射能真實模擬麥穗表面的細(xì)節(jié)。首先通過收集不同品種、栽培措施、水分、氮肥、土壤、蟲害、草害、種植密度等條件下的麥穗紋理照片,建立麥穗紋理庫。其次,建立器官空間坐標(biāo)(x,y,z)與紋理坐標(biāo)(u,v)之間的對應(yīng)關(guān)系:穗軸和花藥因分別采用偏圓柱體和NURBS曲面進(jìn)行模擬,可由OpenGL自動生成紋理坐標(biāo);小花外麩、麥芒等由三角形面片構(gòu)造的曲面,均在計算曲面頂點時手動計算紋理坐標(biāo)。紋理坐標(biāo)確定后,即可通過OpenGL提供的glBindTexture()、glTexParameter*()、g1TexEnv*()、gITexCoord*()等函數(shù)進(jìn)行紋理綁定與映射(圖7)。光照渲染能極大的增強圖形的立體感,本文采用OpenGL提供的光照模型,通過調(diào)用glLightfv()、glMaterialf()、glColorMaterial()等函數(shù)設(shè)定光源參數(shù)及器官表面的材料屬性實現(xiàn)了麥穗的光照渲染(圖8)。4使用示例4.1試驗設(shè)計于2009-2010年度在南京農(nóng)業(yè)大學(xué)的牌樓試驗站進(jìn)行,供試品種為淮麥25和揚麥18,設(shè)正常水分和漬水兩個水分處理,3次重復(fù)。4.2小麥形態(tài)模型輸出麥穗的動態(tài)生長需要其逐日形態(tài)特征數(shù)據(jù)的支持,包括穗長、穗寬、穗厚、穗軸長度、穗軸直徑、外麩長度、外麩直徑、麥芒長度、麥芒直徑、麥穗顏色或紋理圖片等。形態(tài)特征數(shù)據(jù)可以來自以下兩個方面:1)大田試驗實際測量值。待麥穗抽出后,定期測量麥穗各形態(tài)特征參數(shù),并插值生成麥穗整個生育期內(nèi)的逐日形態(tài)特征參數(shù)。2)小麥形態(tài)模型輸出值。通過輸入品種特征、氣象資料、土壤特性以及管理措施,形態(tài)模型可以輸出整個生育期內(nèi)的麥穗逐日形態(tài)特征參數(shù)。逐日形態(tài)特征參數(shù)的變化驅(qū)動小麥麥穗的生長,進(jìn)入開花期后,麥穗上開始出現(xiàn)黃綠色小花,待授粉后小花變?yōu)榘咨?并隨著生長進(jìn)程逐漸脫落(圖9)。麥穗的渲染可選擇顏色渲染或紋理映射兩種方式。麥穗顏色的獲取相對比較容易,但顏色渲染效果沒有紋理映射逼真。獲取每個生育期內(nèi)麥穗的紋理,即可實現(xiàn)麥穗生長動態(tài)的紋理映射渲染。4.3不同水分處理的麥穗分布不同品種和水分處理條件下的麥穗,其形態(tài)存在差異,主要表現(xiàn)在穗長、穗寬、穗厚以及穗粒數(shù)等指標(biāo)上?；贷?5與揚麥18麥穗的最顯著差異在于,小麥穗的排列松散程度以及麥芒曲線,表現(xiàn)為麥芒外擴角度不同。相同的穗軸節(jié)片數(shù),但揚麥18穗長明顯大于淮麥25,導(dǎo)致小麥穗分布較松散(圖10)。漬水處理與正常水分處理麥穗的最顯著差別在于,正常水分處理的麥穗較漬水處理的麥穗生育期較早。當(dāng)正常水分處理的麥穗灌漿結(jié)束,局部發(fā)黃時,漬水處理的麥穗仍處于灌漿期,并依然保持綠色。此外,不同水分處理的麥穗形態(tài)存在差異;相同的穗軸節(jié)片數(shù),正常水分處理的麥穗較長,且因生育期較早,麥芒較外擴(圖11)。5小麥形態(tài)模型的應(yīng)用本文通過對麥穗形態(tài)結(jié)構(gòu)的觀測分析,構(gòu)建了基于形態(tài)特征參數(shù)的麥穗形態(tài)幾何模型;進(jìn)一步結(jié)合顏色渲染等真實感顯示技術(shù),基于.Net平臺和CSOpenGL類庫,實現(xiàn)了麥穗生長動態(tài)的可視化。得到的主要結(jié)論如下:1)模型輸入?yún)?shù)來源于已有的小麥形態(tài)模型或?qū)崪y數(shù)據(jù),可以實現(xiàn)不同品種、不同條件下麥穗生長動態(tài)的模擬,模型具有較好的擴展性和應(yīng)用性。2)與已有可視