發(fā)布時間：2020-08-15 08:34

【摘要】：虛擬植物的可視化是林業(yè)信息化的要素,也是實踐數(shù)字林業(yè)的重要課題,虛擬植物的動態(tài)可視化與數(shù)字化展示在構(gòu)建我國智慧林業(yè)、傳播知識、弘揚生態(tài)中具有重要的現(xiàn)實意義。隨著虛擬仿真技術(shù)、計算機深度學(xué)習(xí)、圖形圖像技術(shù)和三維掃描技術(shù)等信息技術(shù)的快速發(fā)展,虛擬植物的計算機模擬已經(jīng)成為探索生物系統(tǒng)運行規(guī)律及驗證假設(shè)的有力工具,從結(jié)構(gòu)重建到形態(tài)模擬的相關(guān)虛擬植物研究體系也日趨完善。然而,觀賞類花卉植物的虛擬仿真研究相對滯后,虛擬花卉植物因其種類多樣性和形態(tài)復(fù)雜性,特別是復(fù)雜稠密的重瓣花卉成為計算機模擬仿真的一大難點。如何實現(xiàn)重瓣花卉植物的結(jié)構(gòu)仿真與動態(tài)模擬,拓展其重建模型應(yīng)用的廣度和維度,成為論文的主要研究目標。由此,圍繞這一研究目標,本文分析了現(xiàn)有虛擬花卉植物仿真中存在的問題和常用的技術(shù)手段,提出了基于點云數(shù)據(jù)進行三維重建和形態(tài)可視化的研究框架與可行方法,針對重瓣花卉的點云數(shù)據(jù)預(yù)處理、三維重建及動態(tài)模擬等關(guān)鍵技術(shù)進行了深入研究,并針對重建模型的應(yīng)用型系統(tǒng)開發(fā)進行了拓展研究,主要研究內(nèi)容如下:1、論文以重瓣花卉作為研究對象,以基于點云數(shù)據(jù)的花卉植物三維重建與動態(tài)模擬研發(fā)為總體框架(簡稱為DMSDA-PLANT),探究如何最為科學(xué)全面的從自然花卉中提取其生長數(shù)據(jù),并形成數(shù)據(jù)信息的采集、提取、轉(zhuǎn)化、重建及應(yīng)用的科學(xué)化研發(fā)路線,最終實現(xiàn)科學(xué)數(shù)據(jù)信息引導(dǎo)虛擬花卉仿真的應(yīng)用化研究框架。本框架體系可以最大化采集植物數(shù)據(jù),最大化降低植物損害,最大化拓寬數(shù)據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域,特別是對于名貴稀有花卉植物進行數(shù)字化保護具有重要的現(xiàn)實意義,也是對于林業(yè)信息化理論研究的積極探索。2、針對重瓣花卉結(jié)構(gòu)復(fù)雜、遮擋嚴重、點云重建困難的問題,提出了差異性定位法、曲線節(jié)點定制法、標記配準拼接法、分類式孔洞修復(fù)法、多量化樣本采集法等一系列有效采集方法,以及點云數(shù)據(jù)預(yù)處理的技術(shù)優(yōu)化策略,獲取到基于階段性樣本結(jié)構(gòu)的點云數(shù)據(jù),形成科學(xué)而全面的花卉三維點云數(shù)據(jù),為下一階段花卉結(jié)構(gòu)的真實感再現(xiàn)和動態(tài)模擬研究提供有力的數(shù)據(jù)支撐。3、針對花卉生長過程中階段結(jié)構(gòu)的追蹤數(shù)據(jù),提出基于點云數(shù)據(jù)的花瓣生長曲線提取與擬合方法。首先通過對重瓣花卉拓撲結(jié)構(gòu)分析,采用局部特征面提取法對一個樣本花瓣的五個生長階段數(shù)據(jù)分別生成;其次對以上數(shù)據(jù)進行多項式擬合,并完成點云花瓣生長函數(shù)公式;然后通過自由變形算法對擬合的生長函數(shù)公式引入運行,實現(xiàn)花卉生長形變模擬;最后,采用真實感渲染技術(shù)構(gòu)建出相似度較高、科學(xué)性較高的月季虛擬花卉模型,實現(xiàn)重瓣月季由數(shù)據(jù)模型向動畫模型的應(yīng)用轉(zhuǎn)變。4、基于重建模型的系統(tǒng)開發(fā)與技術(shù)應(yīng)用問題,驗證DMSDA-PLANT框架的可行性,本文基于重建模型研發(fā)了交互技術(shù)不同、應(yīng)用環(huán)境不同、受眾目標不同的兩款系統(tǒng)。一款是基于增強現(xiàn)實的可視化與交互技術(shù),著重采用Unity3D和Vuforia建構(gòu)系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)和交互技術(shù),形成“美在指尖”AR移動端應(yīng)用;另一款是基于全息影像可視化和交互實現(xiàn),著重采用多通道輸出與XML文件實現(xiàn)270°全息展示與交互,形成“花之影”柜體式展示系統(tǒng)。將三維重建的月季模型進行不同技術(shù)的應(yīng)用開發(fā),不僅滿足了用戶多層次的觀賞需求與交互體驗,還最大限度地實現(xiàn)了對虛擬花卉植物全方位、多維度的可視化表達。
【學(xué)位授予單位】：北京林業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：S68;TP391.41;TP391.9
【圖文】：

圖１－１論文研究的技術(shù)路線逡逑Ｆｉｇ．邋１－１邋Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ邋ｒｏｕｔｅ邋ｏｆ邋ｔｈｅｓｉｓ邋ｒｅｓｅａｒｃｈ逡逑１．４論文的組織結(jié)構(gòu)逡逑本文的全部內(nèi)容共分為六章，具體結(jié)構(gòu)如下：逡逑第一章：緒論。主要闡述了論文選題的研究背景和研究意義，討論分析了虛擬花逡逑卉植物及其相關(guān)研究領(lǐng)域存在的主要問題，并結(jié)合分類調(diào)研的文獻資料，梳理出論文逡逑的主要研究內(nèi)容，提出了詳細的可行性技術(shù)路線。逡逑第二章：虛擬花卉植物三維重建的相關(guān)理論。提出了基于點云數(shù)據(jù)的植物三維重逡逑建與動態(tài)模擬研發(fā)框架（簡稱為ＤＭＳＤＡ－ＰＬＡＮＴ）構(gòu)建，詳細闡述了虛擬花卉植物逡逑三維建模和動態(tài)模擬過程中的主要關(guān)鍵技術(shù)，即圖像處理技術(shù)與花卉植物三維建模、逡逑虛擬仿真技術(shù)與花卉植物動態(tài)模擬、三維激光掃描技術(shù)與花卉植物信息提取、增強現(xiàn)逡逑實技術(shù)與花卉植物科普新方法、全息影像技術(shù)與虛擬花卉植物可視化？，通過基于逡逑Ｋｉｎｅｃｔ、Ｃｒｅａｆｏｒｍ邋ＶｌＵｓｃａｎ和Ａｒｔｅｃ三種數(shù)據(jù)提取技術(shù)的實驗對比，總結(jié)了花并植物逡逑生長數(shù)據(jù)提取技術(shù)的優(yōu)化實施。逡逑

２．２花卉植物動態(tài)可視化及其關(guān)鍵技術(shù)逡逑２．２．１圖形圖像技術(shù)與植物建模逡逑計算機技術(shù)的發(fā)展促使圖形圖像處理技術(shù)隨之成熟與完善，逐漸成為一門新型學(xué)逡逑科。圖形圖像處理技術(shù)主要包括幾何變換、圖像數(shù)字化、建模造型設(shè)計（圖２－２）及逡逑各種色彩設(shè)計等，廣泛應(yīng)用于各個行業(yè)的發(fā)展中，如工業(yè)檢測、遙感（圖２－３）、偵查逡逑等多個領(lǐng)域。在工業(yè)檢測領(lǐng)域的應(yīng)用，主要表現(xiàn)為零部件的無損檢測，在遙感領(lǐng)域的逡逑應(yīng)用，主要表現(xiàn)為篩選和識別衛(wèi)星傳送回來的各種數(shù)字圖像信息，經(jīng)過處理之后的信逡逑息可以被應(yīng)用于地質(zhì)勘查、森林調(diào)查、資源查找等研究工作中（寧瑩瑩，２０１７）。逡逑１１逡逑

逑圖２－２建模造型設(shè)計邐圖２－３遙感圖像逡逑Ｆｉｇ．２－２邋Ｍｏｄｅｌｉｎｇ邋ａｎｄ邋Ｍｏｄｅｌｉｎｇ邋Ｄｅｓｉｇｎ邐Ｆｉｇ．２－３邋Ｒｅｍｏｔｅ邋ｓｅｎｓｉｎｇ邋ｉｍａｇｅｓ逡逑植物建模是計算機圖形學(xué)研究的重要領(lǐng)域之一，而花卉建模是植物建模的重要分逡逑支。經(jīng)過近四十年的發(fā)展，人們在虛擬植物模擬方面建立了大量的仿真模型，其中以逡逑樹木器官（枝干和葉片）可視化建模算法研究居多。目前，國內(nèi)外研究出多種植物葉逡逑片建模方法，從技術(shù)手段看主要有：基于機器視覺的植物三維重建、基于三維激光掃逡逑描設(shè)備等光學(xué)儀器的植物重建、基于精密儀器等斷層掃描的植物重建、基于點云的植逡逑物三維重建以及基于圖像的植物三維重建。相對于植物樹木及樹葉的三維可視化研究逡逑而言，國內(nèi)外植物花卉的三維可視化研宄相對較少，因觀賞類花卉植物生長結(jié)構(gòu)的特逡逑點，也使花卉可視化造型成為計算機圖形學(xué)三維造型中的一大難點（陸玲、楊學(xué)東等，逡逑２０１０）。Ｉｊｉｒｉ等人（Ｉｊｉｒｉｅｔａｌ．２００５）使用植物學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計了一款基于用戶交互的花朵建逡逑模軟件，用戶可以通過向軟件輸入花瓣輪廓，結(jié)合變形便可獲得最終花朵；另外，Ｉｊｉｒｉ逡逑等人（Ｉｊｉｒｉ邋ｅｔａｌ．邋２００８）還采用彈性的三角網(wǎng)格表示花瓣

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本文編號：2793873