李 東 高何璇 何玉英 賈尚云 李紅嶺 金 李 張 旭 高曉陽(yáng)③

（1 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 甘肅蘭州 730000；2 甘肅省干旱生境作物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 甘肅蘭州 730000；3 蘭州銀行網(wǎng)絡(luò)金融部 甘肅蘭州 730000；4 中國(guó)人民銀行蘭州支行 甘肅蘭州 730000）

農(nóng)業(yè)在整個(gè)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)中扮演著舉足輕重的角色。早在20世紀(jì)60年代中期國(guó)外就開(kāi)始研究農(nóng)作物模型，模擬農(nóng)作物的生長(zhǎng)過(guò)程，探索預(yù)測(cè)作物產(chǎn)量［1-2］。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速進(jìn)步，國(guó)內(nèi)外相繼涌現(xiàn)出了許多作物模型系統(tǒng)和虛擬植物可視化軟件。目前，虛擬植物研究主要是解決農(nóng)作物生長(zhǎng)的虛擬模型［3-5］。

1 黃芪生長(zhǎng)可視化系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

利用OpenGL的繪圖函數(shù)，對(duì)其主要器官的莖、葉和根進(jìn)行了仿真設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)基于WIN‐DOWS，基于OpenGL的 Visual Studio 2010作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)。

1.1 OpenGL圖形庫(kù)和功能函數(shù)調(diào)用

OpenGL系統(tǒng)是一個(gè)專業(yè)圖形庫(kù)，具有很多圖形編程接口和功能函數(shù)。本文利用OpenGL提供的圖形繪制功能，實(shí)現(xiàn)黃芪生長(zhǎng)的不同形態(tài)和生長(zhǎng)過(guò)程可視化［6］。

1.1.1 繪制模型［7］

首先利用該方法在植株的各個(gè)部位上輸入一個(gè)節(jié)點(diǎn)，并在該圖形庫(kù)中調(diào)用該功能，比如glver‐tex3f（）并指定各頂點(diǎn)，將這些點(diǎn)繪制成多邊形，再進(jìn)行變形拼接等構(gòu)建出三維模型。

1.1.2 模型坐標(biāo)變換

使用 OpenGL的 glTranslate（）、glscale（）、glscale（）轉(zhuǎn)換功能對(duì)該模型的坐標(biāo)進(jìn)行平移、旋轉(zhuǎn)和縮放，從而設(shè)定該模型的座標(biāo)值。

1.1.3 顯示圖畫(huà)

為了防止在建模過(guò)程中出現(xiàn)的卡頓，使用兩種不同的緩存技術(shù)進(jìn)行繪制［8］。通過(guò)調(diào)用glflush（）函數(shù)來(lái)顯示緩存中的內(nèi)容，再調(diào)用swapbuf‐fers函數(shù)交換2個(gè)緩存的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)邊繪制邊顯示的雙緩存顯示，節(jié)省繪制等待時(shí)間，提高動(dòng)畫(huà)顯示流暢效果。

1.1.4 顏色光照設(shè)定

為了讓本論文的模型更加真實(shí)，利用OpenGL的RGB色彩空間處理功能設(shè)置了glcolor3f（）的模式色彩，然后進(jìn)行了光照。

1.1.5 動(dòng)畫(huà)顯示效果

為了防止在建模過(guò)程中出現(xiàn)卡頓，使用2種不同的緩存技術(shù)進(jìn)行繪制。使用glflush（）功能來(lái)表示快取中的內(nèi)容，然后調(diào)用swapbuffers功能對(duì)兩個(gè)高速緩存進(jìn)行交換，從而達(dá)到了“邊渲染即顯示”的雙重緩沖效應(yīng)，節(jié)約了繪圖延遲，改善了動(dòng)畫(huà)的流暢性。

1.2 虛擬黃芪的框架設(shè)計(jì)

本論文中的黃芪生長(zhǎng)仿真系統(tǒng)由場(chǎng)景、黃芪器官、黃芪植株、rule等組成。在這些分類中，or‐gan類是指確定各個(gè)器官特征的所有虛擬器官的總稱。根據(jù)不同組織之間的父子聯(lián)系，以黃芪的主莖為根，構(gòu)建了一個(gè)具有代表性的虛擬器官；根據(jù)試驗(yàn)所得的黃芪生長(zhǎng)規(guī)律，確定了其生長(zhǎng)規(guī)律；最后，根據(jù)植物與生長(zhǎng)規(guī)律的組合，進(jìn)行了黃芪的可視化仿真［9-11］。

2 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

2.1 黃芪器官的立體幾何模型研究

要實(shí)現(xiàn)黃芪的形態(tài)可視化，必須先建立一個(gè)立體的器官幾何模型。根據(jù)植物形態(tài)建成模擬模型輸出的葉片和其他器官的形態(tài)參數(shù)，對(duì)其器官進(jìn)行觀察［12］。

葉片的幾何建模，黃芪的葉子包括葉柄，葉柄在葉的下面是柱狀的，多片相并著生于枝條節(jié)間。本文對(duì)葉片選用NURBS曲面來(lái)建模［8］。NURBS 曲面表示如下：

（i=0、1、......m，j=0、1、...n） -一組控制點(diǎn)。wi，j-加權(quán)系數(shù)，它與最高點(diǎn)di，j相關(guān)聯(lián)。Ni，k（i=0、 1、 ......m），Nj，l（j=0、1、......n），即u次k，v次標(biāo)準(zhǔn)B樣條，其中，u和v方向的結(jié)點(diǎn)向量U=（u0，u1，...， um+ k+1），按照德布爾遞推公式確定V=（v0，v1，...，vn+l+1）。在NURBS平面上，確定了其控制點(diǎn)，并進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模。在NURBS的各個(gè)表面上，有10行的控制點(diǎn)，5行的刀片和刀柄，每行7個(gè)控制點(diǎn)。刀片的前行是一個(gè)由7個(gè)控制點(diǎn)組成的矩形，并將其作為一個(gè)外切型的圓形［13］。

2.2 系統(tǒng)程序模塊設(shè)計(jì)

本文采用 OpenGL圖形庫(kù)的相關(guān)功能函數(shù)，在visual Studio 2010 平臺(tái)上［12，14-16］。首先，建立了一個(gè)基于植物的器官模型，并以一個(gè)類的形式進(jìn)行了封裝。以黃芪為對(duì)象，分別進(jìn)行了植株繪制類、莖類類編程，具體內(nèi)容如下。

2.2.1 繪制植株

Class CCapsicum：public CObeject//植株繪制類的定義

2.2.2 莖繪制類

2.2.3 繪制葉類

2.3 黃芪虛擬生長(zhǎng)系統(tǒng)的模擬實(shí)現(xiàn)

本文主要實(shí)現(xiàn)黃芪生長(zhǎng)過(guò)程中形態(tài)變化功能，設(shè)計(jì)的程序運(yùn)行后將開(kāi)始從幼苗期到成熟期的黃芪植株虛擬生長(zhǎng)仿真。程序的主要功能是顯示黃芪從幼苗期到成熟期的植株生長(zhǎng)過(guò)程，分別顯示黃芪在幼苗期、分支期（生長(zhǎng)期）和成熟期等的生長(zhǎng)狀態(tài)，也可單獨(dú)顯示在生長(zhǎng)過(guò)程中黃芪各器官（葉、莖）的發(fā)育變化［11，14-15］。

本程序的主菜單及選項(xiàng)操作有：

“文件”選項(xiàng)卡。下面的選擇是：“幼苗期”——表示在苗期的成長(zhǎng)。“分支期”——在枝葉發(fā)育過(guò)程中的表現(xiàn)。“成熟期”——在成熟階段的表現(xiàn)?！巴顺觥薄x開(kāi)該體系。

選擇“控制”。下面的選擇是：“暫?！薄Ｖ股L(zhǎng)并在這個(gè)時(shí)候查看它的成長(zhǎng)狀況?！叭?夜”——可以在白天或晚上之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換［16］。

在“生長(zhǎng)過(guò)程”中選擇“整株植物”——展示了整個(gè)黃耆的整個(gè)成長(zhǎng)歷程?！叭~”——觀察了不同時(shí)期的紅花葉片的生長(zhǎng)情況?！扒o”——說(shuō)明了不同時(shí)期的黃芪根的生長(zhǎng)情況。

“程序說(shuō)明”選項(xiàng)位于“幫助”菜單下。

3 結(jié)論與討論

研究在WINDOWS操作系統(tǒng)下，以visual stu‐dio為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，運(yùn)用OpenGL圖形庫(kù)，首先設(shè)計(jì)建立了黃芪虛擬生長(zhǎng)系統(tǒng)的主要功能模塊和結(jié)構(gòu)框架［17］?；谛螒B(tài)建成模型輸出的葉莖等器官的形態(tài)特征參數(shù)，采用NURBS曲面方法建立了黃芪葉片及莖稈3維模型［18］，并對(duì)所建幾何模型進(jìn)行顏色和光照等渲染處理，提高了仿真顯示效果及逼真度。然后，根據(jù)黃芪田間實(shí)驗(yàn)取得的植株生長(zhǎng)變化規(guī)則，以建立的植物器官為基本圖形單元，采用類封裝方法，實(shí)現(xiàn)了植物類繪制、莖類、葉類的虛擬程序［19］。最后，結(jié)合植物和植物的生長(zhǎng)規(guī)律，形成一個(gè)情景，進(jìn)行黃芪生長(zhǎng)可視化模擬仿真，并對(duì)黃芪生長(zhǎng)可視化系統(tǒng)的操作功能進(jìn)行了簡(jiǎn)要說(shuō)明。仿真運(yùn)行結(jié)果表明本研究基本實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求。隨著虛擬仿真技術(shù)的不斷進(jìn)步還仍要繼續(xù)完善改進(jìn)。