小麦生长的三维建模研究

张利伟 赵明富 许睿

（河南科技学院信息工程学院，河南新乡 453000）

小麦生长的三维建模研究

张利伟 赵明富 许睿

（河南科技学院信息工程学院，河南新乡 453000）

基于小麦各部分器官形态特征参数，利用3DSMAX搭建小麦器官三维几何模型。结合计算机图像图形学技术，以VS 2010为开发平台，基于OpenGL对小麦器官的三维模型进行真实感显示处理，实现小麦形态三维可视化模型构建。

3DSMAX；三维可视化；OpenGL；小麦

20世纪60年代起，研究人员基于植物的生长规律，通过建立相应的虚拟植物模型，开启了对植物生长过程的数字化、定量化研究的新时代［1］。

随着计算机技术的发展，对于虚拟植物的研究主要形成了2个方向：一个是以逼真再现植物外形为目的的植物外观形态模拟，该类研究主要应用于科研农技推广、农业生态景观模拟、作物知识教育教学、三维特效制作等；另一个是在前一种研究的基础上，利用计算机对真实作物的生长过程进行模拟，该类研究将农业专家系统与作物生长过程模型的互补结合，在农作物产量预测、土地生产力评价、农业气象灾害预警等方面，具有重要的指导意义。

通过查阅大量文献不难发现，国内外在虚拟植物方面有很多研究。诸如基于L系统的Virtual Plant（澳大利亚），AMAP系列软件（法国）等，该类软件基于计算机图像图形学技术，建立了基本的植物器官库，但不足之处在于植物器官的细节描述不够完善。

本文拟将小麦作为研究对象，基于小麦形态特征参数，利用3DSMAX构建小麦器官的三维几何模型。在此基础上，利用OpenGL三维图形处理相关库函数，对小麦器官模型进行颜色、光照、纹理等图形真实感显示处理，实现精确构建小麦形态三维可视化模型（见图1）。

该模型的建立及研究，将为后续小麦生长发育过程三维动态模拟模型研究打下扎实基础。同时，通过建立该小麦的三维可视化模型，也将为小麦的理想株型筛选，高产、高效、抗倒伏设计与优化等提供技术依据。

图1 小麦形态三维可视化模型技术框架

1 小麦器官构建

1.1 麦穗建模

小麦是顶生直立复穗状花序结构。麦穗主要由穗轴、麦粒及麦芒构成，其中麦芒断面为规则或不规则的三角形。下面将简要介绍这几部分小麦器官的计算机三维结构体构型。

通过观察总结麦穗结构，笔者拟采用圆柱体作为小麦穗轴，椭球体作为麦粒的基础几何模型。亦即在这两种几何结构基础上，利用3DSMAX软件，延伸绘制出各麦粒及麦芒等器官的基本构型。绘制步骤简述如下：①在前视图中，绘制出麦粒大小的椭球型，作为麦粒的基础构型；绘制出偏圆柱体作为小麦穗轴及麦粒穗梗，穗轴与穗梗的夹角保持为φ，φ由麦粒的短半径及长半径共同决定；②将二者转换为可编辑多边形，通过适当旋转、平移后，拼接成单个小麦穗；③在麦粒顶点处，使用拉伸的方法，绘制出单个麦粒的三角锥体的麦芒部分，注意麦芒的长度与麦粒长径的关系；④重复步骤①②③，经多次调整各小麦穗位置，绘制出麦穗三维结构体；⑤适当利用网格平滑手段，对穗轴与穗梗、麦粒与穗轴、麦芒与麦粒等各拼接处做平滑处理。

1.2 茎秆建模

一般小麦茎秆由节和节间组成。节间的长度受到其自身品种的遗传基因影响，同时也会受到其生长的生理生态环境（如气候、调节剂、栽培措施等因素）的制约。因此，节间长度等相关参数，此处不作为研究重点，统一采用平均节间长度作相应简化描述处理。

相对于麦穗而言，小麦茎秆较为规则。笔者拟采用规则的圆柱体作为小麦茎秆的基础几何结构，基于节间长度、小麦穗轴半径等参数，搭建小麦茎秆三维模型。同样，为了使小麦茎秆与麦穗拼接处平滑过渡，故采用网格平滑手段，对生成的多边形模型加入平滑效果。

1.3 叶片建模

长条形是小麦叶片的主要形状，经统计测量不难发现，其叶片长度是其叶片宽度的5～7倍。同时，不同品种的小麦叶片厚度不相同，造成了叶片质量的各不相同。这些也在一定程度上影响了小麦叶片的空间姿态。

通过对现有小麦叶片绘制方法的分析，本文拟采用斜抛运动，作为小麦叶片空间拟合曲线。首先，基于叶片长度、叶片比重及叶片在小麦茎秆上的生长角度等相关参数，大致确定出小麦叶片的空间斜抛运动基本参数。然后，在顶视图中，利用实线绘制出小麦叶片的基本形状。使用曲面工具，适当调整相关参数，用以创建小麦叶片形状及曲面。使用噪波修改器，适当地为叶片添加起伏效果。使用弯曲命令，基于小麦叶片的空间斜抛运动基本参数，适当调整叶片弯曲程度。经过多次旋转、平移及复制等操作，完成小麦叶片的三维构型。最后，使用网格平滑手段，为叶片表面及叶片与茎秆衔接处进行平滑处理。

2 小麦三维模型构建

2.1 Visual Studio 2010的OpenGL环境的搭建

Visual Studio 2010由微软公司推出，其IDE的界面被重新设计和组织，是目前较为流行的Windows平台开发环境。OpenGL的全称为Open Graphics Library，是专业的图形程序接口。其定义跨编程语言、跨平台的编程接口规格，通常用于三维图像编辑及处理等工作。

本文以VS 2010为开发平台，调用OpenGL库函数，对前一阶段基于小麦各部分器官形态特征参数构建的三维模型实现渲染，主要是由于OpenGL库函数功能强大，底层图形库调用极其方便，同时VS2010编写程序有比较好的“纠错”功能，两者相互取长补短，可大大减少程序编写过程中的工作量。环境搭建过程简述如下：首先，将头文件glut.h，动态链接库文件glut.dll、glut32.dll，静态数据连接库文件glut.lib、glut32.lib正确放置到对应的盘符位置；然后打开VS2010，新建空的控制台项目后，在新建项目属性中，设置包含上述头文件及库文件目录即可。

2.2 小麦模型渲染

在该步骤中，需要对上述过程中建立的小麦三维几何模型进行颜色渲染、光照处理等真实性处理。

在颜色渲染中，综合考虑RGBA模式和颜色索引模式，笔者拟采用RGBA模式对小麦器官模型进行渲染处理。处理过程即是调用函数glColor(TYPE r,TYPE g, TYPE b)，通过设置参数r、g、b 3个参数值，分别对小麦麦穗、茎秆、叶片等部位进行颜色设置。

在光照处理中，利用OpenGL中近似模拟平行光源，为绘制的小麦三维图形增加立体感。处理过程即是调用函数gl Lightfv()、gl Enable()、gl Light Modelfv()、gl Materi⁃alfv()，通过设置所采用平行光源的位置、强度、颜色强度等相关光源属性，光照模型相关属性以及小麦器官的相关材质属性，并使其有效工作。后续还进行了纹理映射等相关真实性显示技术处理，生成了形象逼真的小麦器官图形，实现了小麦生长的可视化。

3 结论

本文首先利用3DSMAX，基于小麦各部分器官形态特征参数，搭建了小麦模拟模型。然后，在此基础上，结合计算机图形学技术，以VS 2010为开发平台，结合OpenGL构建出了小麦形态三维可视化模型。结果表明，该方式下构建的小麦形态三维可视化模型形态，具有较强的真实感。同时，该方法也可为大麦、水稻等农作物的可视化研究提供依据。

［1］温维亮，郭新宇，赵春江，等.作物根系构型三维探测与重建方法研究进展［J］.中国农业科学，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年度新乡市科技创新平台建设项目（编号CP1406）的阶段性研究成果。

张利伟（1988-），男，硕士，助教，研究方向：数字图像处理，电子信息工程。

赵明富（1964-），男，教授，硕士生导师，校信息与通信工程一级重点学科学术带头人，研究方向：农业信息化，信号处理与智能控制技术。