基于Open GL的黃芪生長可視化模型構(gòu)建研究①

李 東 高何璇 何玉英 賈尚云 李紅嶺 金 李 張 旭 高曉陽③

（1 甘肅農(nóng)業(yè)大學機電工程學院 甘肅蘭州 730000；2 甘肅省干旱生境作物學重點實驗室 甘肅蘭州 730000；3 蘭州銀行網(wǎng)絡金融部 甘肅蘭州 730000；4 中國人民銀行蘭州支行 甘肅蘭州 730000）

農(nóng)業(yè)在整個國家的經(jīng)濟中扮演著舉足輕重的角色。早在20世紀60年代中期國外就開始研究農(nóng)作物模型，模擬農(nóng)作物的生長過程，探索預測作物產(chǎn)量［1-2］。隨著科學技術(shù)的飛速進步，國內(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)作物生長的虛擬模型［3-5］。

1 黃芪生長可視化系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

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

1.1 OpenGL圖形庫和功能函數(shù)調(diào)用

OpenGL系統(tǒng)是一個專業(yè)圖形庫，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，實現(xiàn)黃芪生長的不同形態(tài)和生長過程可視化［6］。

1.1.1 繪制模型［7］

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

1.1.2 模型坐標變換

使用 OpenGL的 glTranslate（）、glscale（）、glscale（）轉(zhuǎn)換功能對該模型的坐標進行平移、旋轉(zhuǎn)和縮放，從而設(shè)定該模型的座標值。

1.1.3 顯示圖畫

為了防止在建模過程中出現(xiàn)的卡頓，使用兩種不同的緩存技術(shù)進行繪制［8］。通過調(diào)用glflush（）函數(shù)來顯示緩存中的內(nèi)容，再調(diào)用swapbuf‐fers函數(shù)交換2個緩存的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)邊繪制邊顯示的雙緩存顯示，節(jié)省繪制等待時間，提高動畫顯示流暢效果。

1.1.4 顏色光照設(shè)定

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

1.1.5 動畫顯示效果

為了防止在建模過程中出現(xiàn)卡頓，使用2種不同的緩存技術(shù)進行繪制。使用glflush（）功能來表示快取中的內(nèi)容，然后調(diào)用swapbuffers功能對兩個高速緩存進行交換，從而達到了“邊渲染即顯示”的雙重緩沖效應，節(jié)約了繪圖延遲，改善了動畫的流暢性。

1.2 虛擬黃芪的框架設(shè)計

本論文中的黃芪生長仿真系統(tǒng)由場景、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)建了一個具有代表性的虛擬器官；根據(jù)試驗所得的黃芪生長規(guī)律，確定了其生長規(guī)律；最后，根據(jù)植物與生長規(guī)律的組合，進行了黃芪的可視化仿真［9-11］。

2 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計

2.1 黃芪器官的立體幾何模型研究

要實現(xiàn)黃芪的形態(tài)可視化，必須先建立一個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)，對其器官進行觀察［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。本文對葉片選用NURBS曲面來建模［8］。NURBS 曲面表示如下：

（i=0、1、......m，j=0、1、...n） -一組控制點。wi，j-加權(quán)系數(shù)，它與最高點di，j相關(guān)聯(lián)。Ni，k（i=0、 1、 ......m），Nj，l（j=0、1、......n），即u次k，v次標準B樣條，其中，u和v方向的結(jié)點向量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，并進行了數(shù)學建模。在NURBS的各個表面上，有10行的控制點，5行的刀片和刀柄，每行7個控制點。刀片的前行是一個由7個控制點組成的矩形，并將其作為一個外切型的圓形［13］。

2.2 系統(tǒng)程序模塊設(shè)計

本文采用 OpenGL圖形庫的相關(guān)功能函數(shù)，在visual Studio 2010 平臺上［12，14-16］。首先，建立了一個基于植物的器官模型，并以一個類的形式進行了封裝。以黃芪為對象，分別進行了植株繪制類、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 黃芪虛擬生長系統(tǒng)的模擬實現(xiàn)

本文主要實現(xiàn)黃芪生長過程中形態(tài)變化功能，設(shè)計的程序運行后將開始從幼苗期到成熟期的黃芪植株虛擬生長仿真。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過程，分別顯示黃芪在幼苗期、分支期（生長期）和成熟期等的生長狀態(tài)，也可單獨顯示在生長過程中黃芪各器官（葉、莖）的發(fā)育變化［11，14-15］。

本程序的主菜單及選項操作有：

“文件”選項卡。下面的選擇是：“幼苗期”——表示在苗期的成長?！胺种凇薄谥θ~發(fā)育過程中的表現(xiàn)?！俺墒炱凇薄诔墒祀A段的表現(xiàn)?！巴顺觥薄x開該體系。

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

在“生長過程”中選擇“整株植物”——展示了整個黃耆的整個成長歷程?！叭~”——觀察了不同時期的紅花葉片的生長情況。“莖”——說明了不同時期的黃芪根的生長情況。

“程序說明”選項位于“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為開發(fā)平臺，運用OpenGL圖形庫，首先設(shè)計建立了黃芪虛擬生長系統(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］，并對所建幾何模型進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)黃芪田間實驗取得的植株生長變化規(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規(guī)律，形成一個情景，進行黃芪生長可視化模擬仿真，并對黃芪生長可視化系統(tǒng)的操作功能進行了簡要說明。仿真運行結(jié)果表明本研究基本實現(xiàn)設(shè)計要求。隨著虛擬仿真技術(shù)的不斷進步還仍要繼續(xù)完善改進。