基于PyOpenGL的虛擬小麥生長(zhǎng)模擬及可視化系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：S512 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-4330（2025）03-0609-10

0 引言

【研究意義】植物虛擬可視化旨在完整呈現(xiàn)植物生長(zhǎng)變化過(guò)程，通常采用計(jì)算機(jī)仿真、三維建模、圖像處理等技術(shù)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)仿真或建模技術(shù)呈現(xiàn)植物的生長(zhǎng)變化，除需要復(fù)現(xiàn)虛擬植物逼真的生長(zhǎng)效果外，還能夠揭示作物生長(zhǎng)形態(tài)結(jié)構(gòu)與生理狀態(tài)的變化規(guī)律[1]，同時(shí)可存儲(chǔ)由虛擬植物模型操作產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)信息[2]，實(shí)現(xiàn)植物生長(zhǎng)規(guī)律的定量化研究。此外，將作物生長(zhǎng)周期緩慢的特征通過(guò)計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)呈現(xiàn)，對(duì)于研究植物生長(zhǎng)發(fā)育和結(jié)構(gòu)特征有重要意義[3]。【前人研究進(jìn)展】虛擬植物建模涉及植物基因、生長(zhǎng)環(huán)境、管理措施等諸多變化因素，因此模擬植物生長(zhǎng)的數(shù)字化研究難度較大[4]。目前，植物三維建模的方法主要分為三種：基于圖形的方法、基于圖像的方法和基于專業(yè)軟件的方法[5]。在建模方法的選擇上，不同方法各有優(yōu)劣?；趫D形方法的建模主要關(guān)注植物生理的形態(tài)結(jié)構(gòu)，其中包括基于分形理論的迭代函數(shù)系統(tǒng)和L系統(tǒng)等，雖然其建模效率高且構(gòu)建方式較為靈活，但對(duì)于形態(tài)復(fù)雜的器官進(jìn)行模擬較為困難[6]。基于圖像的方法是通過(guò)對(duì)二維圖像處理而實(shí)現(xiàn)對(duì)植物形體的三維重建，雖然解決了圖形方法的不足，但容易被環(huán)境影響，在較差的光照環(huán)境下，將難以獲取準(zhǔn)確的紋理信息[7]。基于軟件建模的方法是目前虛擬植物建模的主要手段，主流的建模軟件包括SpeedTree、Blender以及Maya等。使用軟件繪制虛擬植物的過(guò)程，要求對(duì)植物有充分的了解[5]，才可呈現(xiàn)更加真實(shí)的模型，且該方法適于為復(fù)雜形態(tài)結(jié)構(gòu)的植物進(jìn)行三維建模。【本研究切入點(diǎn)】有研究者開發(fā)的AMAP系列軟件[8] CPFG^[9] 軟件、Xfrog 軟件能夠用于實(shí)現(xiàn)植物器官的三維模擬[10]，但未能很好地將植物的生理生態(tài)特征與形態(tài)結(jié)構(gòu)相結(jié)合。目前我國(guó)有關(guān)玉米、水稻等虛擬植物模型研究較多，而關(guān)于小麥虛擬作物模型的研究略少，與小麥生長(zhǎng)周期長(zhǎng)，不便于測(cè)量器官的生長(zhǎng)變化等因素有關(guān)[]。需在建立小麥生長(zhǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)小麥虛擬生長(zhǎng)過(guò)程形態(tài)逼真、參數(shù)可控的可視化設(shè)計(jì)效果，其模型構(gòu)建方法不僅能夠?yàn)橹参锏臄?shù)字孿生系統(tǒng)建模提供技術(shù)參考?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題針對(duì)小麥虛擬生長(zhǎng)及可視化設(shè)計(jì)的技術(shù)難點(diǎn)，提供小麥生長(zhǎng)的可參數(shù)化控制及可交互式系統(tǒng)功能，選擇軟件建模方法。設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)基于PyOpenGL的小麥生長(zhǎng)模擬與三維可視化系統(tǒng)。系統(tǒng)能夠根據(jù)小麥各主要器官的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，使用Blender軟件為其器官建模；利用PyOpenGL對(duì)三維圖形進(jìn)行處理，并在Pyside6創(chuàng)建的圖形用戶界面上還原模擬小麥生長(zhǎng)過(guò)程，為農(nóng)場(chǎng)的小麥數(shù)字化研究提供依據(jù)。

材料與方法

1.1材料

1.1. 1 虛擬小麥建模

根據(jù)實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)和拍攝的圖片采用Blender軟件模擬小麥生長(zhǎng)變化的趨勢(shì)，利用PyOpenGL技術(shù)設(shè)計(jì)小麥虛擬生長(zhǎng)的可視化系統(tǒng)，并同步輸出模型操作中相應(yīng)的小麥生長(zhǎng)數(shù)據(jù)信息。

1.1. 2 虛擬小麥模型的結(jié)構(gòu)與功能

基于PyOpenGL的小麥虛擬生長(zhǎng)三維可視化系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)框架，可視化系統(tǒng)可劃分為三層：基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層、模型渲染層和顯示交互層。圖1

1. 1.2. 1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層

系統(tǒng)輸入層小麥生長(zhǎng)數(shù)據(jù)采集于新疆昌吉華興農(nóng)場(chǎng)的冬小麥試驗(yàn)田。于3～7月的小麥生長(zhǎng)期內(nèi)，選取具有代表性的數(shù)株冬小麥，使用游標(biāo)卡尺、直尺等工具進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，以獲取其在不同生長(zhǎng)時(shí)期的各個(gè)主要器官的具體形態(tài)參數(shù)。實(shí)際測(cè)得的冬小麥株高為 571.5～836.7mm ，穗長(zhǎng)為52.8～86.9mm ，莖直徑為 3.2～4.3mm ，葉片為6片，最大葉長(zhǎng)為 157.2～284.6mm ，葉寬為8.5～5.6mm ，最小葉長(zhǎng)為 34.8～105.8mm ，寬為2.1～3.8mm 。

在建模之前收集了不同生長(zhǎng)周期的1400條小麥實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，涵蓋了小麥的多個(gè)形態(tài)特征，包括小麥的株高、葉片數(shù)、葉片最大寬度、葉片長(zhǎng)度、葉片高度、莖稈直徑和麥穗長(zhǎng)度、麥穗寬度和麥穗高度等形態(tài)數(shù)據(jù)，這些形態(tài)數(shù)據(jù)為模擬小麥的真實(shí)生長(zhǎng)過(guò)程提供量化依據(jù)，使得依靠這些數(shù)據(jù)構(gòu)建的模型能夠更加真實(shí)、準(zhǔn)確地反映小麥的生長(zhǎng)規(guī)律和變化趨勢(shì)。表1

1.1. 2. 2 模型渲染層

模型渲染部分涵蓋小麥虛擬生長(zhǎng)模型、小麥器官模型、各器官渲染模型及小麥個(gè)體的可視化模型。小麥生長(zhǎng)模擬模型以實(shí)測(cè)的6個(gè)小麥生長(zhǎng)主要周期數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，模擬小麥在生長(zhǎng)周期內(nèi)的持續(xù)變化；小麥器官模型則根據(jù)實(shí)地觀察拍攝的3個(gè)小麥主要器官的形態(tài)結(jié)構(gòu)特征，使用Blender建模軟件進(jìn)行建模；對(duì)各器官模型的渲染是依靠PyOpenGL提供的接口，實(shí)現(xiàn)對(duì)具體形態(tài)的模擬[12]，從而建立視覺(jué)上逼真的器官結(jié)構(gòu)模型;小麥個(gè)體化模型構(gòu)建以小麥器官模型和各器官渲染為基礎(chǔ)，根據(jù)其生長(zhǎng)模型的數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)小麥在生長(zhǎng)周期內(nèi)的形態(tài)變化。其中器官模型可視化是數(shù)據(jù)處理和模型渲染的關(guān)鍵技術(shù)，成為能否準(zhǔn)確模擬和展現(xiàn)小麥生長(zhǎng)過(guò)程的關(guān)鍵要素。

1.1. 2.3 輸出交互層

作為小麥虛擬生長(zhǎng)三維可視化系統(tǒng)的展示平臺(tái)，設(shè)計(jì)中運(yùn)用PyOpenGL技術(shù)，增強(qiáng)模型的視覺(jué)真實(shí)感。采用天空?qǐng)D盒技術(shù)營(yíng)造出更為逼真的環(huán)境氛圍，設(shè)計(jì)中應(yīng)用交互式控件。

表1部分實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

1.2 方法

1. 2. 1 模型設(shè)計(jì)

1. 2. 1. 1 建模與渲染

小麥各主要器官模型的創(chuàng)建中，選用Blender三維計(jì)算機(jī)圖形軟件，根據(jù)不同時(shí)期小麥各主要器官的形態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，并將其導(dǎo)出為OBJ格式，便于后續(xù)在PyOpenGL上的應(yīng)用。其中小麥莖稈形態(tài)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，使用近似圓柱體進(jìn)行建模。較為復(fù)雜的小麥葉片采用NURBS曲面進(jìn)行建模，NURBS能夠精確表示二次曲線弧與二次曲面，并能通過(guò)控制點(diǎn)和權(quán)因子來(lái)靈活地改變形狀，較為逼真的模擬小麥葉片三維形態(tài)[13]。針對(duì)更為復(fù)雜的麥穗結(jié)構(gòu)，使用棱臺(tái)狀模擬其整體形態(tài)結(jié)構(gòu)，同時(shí)為了貼近真實(shí)麥粒的形狀，設(shè)計(jì)中使用了凹凸處理的近似橢圓體表示，其中麥芒使用極細(xì)的圓錐模擬。

使用紋理映射技術(shù)對(duì)小麥器官進(jìn)行紋理貼圖。結(jié)合創(chuàng)建的小麥器官模型，在PyOpenGL中將模型與紋理圖片進(jìn)行綁定，即可渲染出逼真的小麥器官。圖2

對(duì)小麥器官模型進(jìn)行紋理映射可增加其渲染效果，使其在虛擬生長(zhǎng)三維可視化系統(tǒng)中更真實(shí)。

（1）讀取小麥器官OBJ模型文件中的頂點(diǎn)坐標(biāo)和紋理坐標(biāo)等數(shù)據(jù)，調(diào)用glVertexAttribPointer函數(shù)實(shí)現(xiàn)配置，實(shí)現(xiàn)模型加載；

（2）根據(jù)不同的小麥器官讀取相應(yīng)紋理圖片，采用glTexImage2D函數(shù)設(shè)置其具體的紋理參數(shù)；

（3）使用glBindTexture函數(shù)實(shí)現(xiàn)將具體紋理圖片映射到器官模型中，并運(yùn)用glDrawArrays函數(shù)對(duì)渲染好紋理的模型進(jìn)行繪制。

1. 2.1. 2 天空盒

天空盒也稱為立方體貼圖，是一個(gè)包含了整個(gè)場(chǎng)景的大型立方體。其每個(gè)面均需要使用對(duì)應(yīng)的紋理圖片來(lái)表示周圍環(huán)境，通過(guò)將6個(gè)面組合成一個(gè)立方體即可模擬出巨大的環(huán)境場(chǎng)景，使得觀察者的視角仿佛置身于整個(gè)場(chǎng)景之中，給系統(tǒng)用戶帶來(lái)強(qiáng)烈的視覺(jué)沖擊感[14]，其優(yōu)勢(shì)在于它使得天空和地面之間的邊界變得平滑，場(chǎng)景中的物體與天空背景融為一體。圖3

農(nóng)場(chǎng)環(huán)境模擬中使用天空盒技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)自然環(huán)境的模擬和將其展開為對(duì)應(yīng)的6個(gè)面。圖4

1. 2. 1. 3 光照與陰影

系統(tǒng)設(shè)計(jì)中還增加光照和陰影效果。光影是影響小麥和其它虛擬植物顯示的重要因素，對(duì)作物的可視化起著關(guān)鍵的作用[15]。而大部分關(guān)于虛擬小麥可視化的研究主要關(guān)注于幾何建模和色彩渲染方面，容易忽略場(chǎng)景渲染的效果，導(dǎo)致虛擬作物的可視化效果不佳[16] 。

在PyOpenGL中通過(guò)設(shè)置光源的位置可以模擬現(xiàn)實(shí)世界的光照效果。光源的位置在光照模型中扮演著非常重要的角色，在PyOpenGL中通過(guò)設(shè)置光源的位置，能夠照射到場(chǎng)景中的特定物體或區(qū)域，模擬出光線從不同角度照射物體的效果。通過(guò)測(cè)試和調(diào)整這些屬性值，可以在PyOpenGL中模擬出最佳的光照效果，使虛擬場(chǎng)景更加生動(dòng)和真實(shí)[17]

由于陰影貼圖的渲染速度更快，能夠在有限的時(shí)間內(nèi)生成逼真的陰影效果，同時(shí)能夠根據(jù)光源的位置和方向、物體的幾何形狀精確地計(jì)算陰影的投射效果的特點(diǎn)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中選擇使用陰影貼圖技術(shù)生成可見(jiàn)性信息的陰影，即呈系統(tǒng)場(chǎng)景中小麥的陰影效果。圖5

藍(lán)線代表光源可以看到的部分，黑線代表被遮擋應(yīng)該渲染為帶陰影的部分，即只有當(dāng)某一條光線首先觸碰的部分才會(huì)被照亮，而后續(xù)才碰觸的部分均處于陰影之中。陰影貼圖的設(shè)計(jì)需先后進(jìn)行2次渲染，第1次將相機(jī)放置到光源進(jìn)行渲染場(chǎng)景并得到準(zhǔn)確的深度信息，然后將深度信息存儲(chǔ)到一個(gè)緩沖區(qū)中并使用glFrameBufferTexture函數(shù)將陰影紋理進(jìn)行綁定。第2次正常的渲染場(chǎng)景并比較2次渲染場(chǎng)景時(shí)每個(gè)像素的深度信息，若第2次渲染的深度值大于第1次渲染的深度值，有物體在光源與當(dāng)前像素之間，故當(dāng)前像素處于陰影之中。

在使用陰影貼圖的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)還應(yīng)用百分比鄰近濾波的方法將小麥陰影的邊緣處理的平滑和柔和。

百分比鄰近濾波 shadowTerm ÷ （2× sampleCount + 1 ） （1）

通過(guò)將每個(gè)采樣點(diǎn)的陰影比例（shadowTerm）進(jìn)行疊加，并除以統(tǒng)計(jì)當(dāng)前像素與附近像素的采樣數(shù)量（sampleCount）的總陰影采樣范圍，總陰影采樣范圍為包括中心采樣點(diǎn)和兩側(cè)的采樣點(diǎn)，即 2×sampleCount+1 ，從而生成出更加逼真的陰影效果，A為使用百分比鄰近濾波生成陰影的效果，B為不使用該技術(shù)生成陰影的效果。圖6

1.3 數(shù)據(jù)處理

小麥虛擬生長(zhǎng)三維可視化系統(tǒng)最基本的功能是從多角度自由觀察小麥模型，PyOpenGL的相機(jī)即視點(diǎn)，類似攝像機(jī)鏡頭或人的眼睛的功能，通過(guò)改變視點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)以不同的方式觀察場(chǎng)景[18]，圖7

1.3.1使用glViewport函數(shù)設(shè)置渲染目標(biāo)的視口大小，即繪制的區(qū)域在窗口中的位置和大??；1.3.2使用glMatrixMode和glLoadIdentity函數(shù)將當(dāng)前矩陣模式設(shè)置為投影模式，并將其重置為單位矩陣。然后，通過(guò)調(diào)用glFrustumt或glOrthot函數(shù)設(shè)置投影矩陣，以定義觀察空間的范圍；

1.3.3使用glMatrixMode和glLoadIdentity函數(shù)將當(dāng)前矩陣模式設(shè)置為模型視圖模式，并將其重置為單位矩陣。通過(guò)調(diào)用gluLookAt函數(shù)設(shè)置相機(jī)的位置、觀察點(diǎn)和上方向，來(lái)定義觀察空間中的相機(jī)視角；

1.3.4在渲染循環(huán)中，將模型視圖矩陣傳遞給頂點(diǎn)和片段著色器，以將場(chǎng)景中的物體變換到相機(jī)視角下，可以通過(guò)改變相機(jī)的位置和方向來(lái)實(shí)現(xiàn)觀察者的移動(dòng)。

代碼控制部分配備鼠標(biāo)或鍵盤操作功能，允許用戶對(duì)相機(jī)視角進(jìn)行移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)和縮放。這些操作便于展現(xiàn)系統(tǒng)的自由性和靈活性，為用戶更全面觀察小麥各器官提供了便利。實(shí)時(shí)顯示小麥當(dāng)前所處的生長(zhǎng)時(shí)期以及主要器官的尺寸大小。

2 結(jié)果與分析

2. 1 小麥形態(tài)結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)的模擬效果

研究表明，小麥形態(tài)結(jié)構(gòu)模型不僅需要準(zhǔn)確模擬小麥的三維形態(tài)，還要在細(xì)節(jié)表達(dá)上進(jìn)行處理，使用Blender建模后，在PyopenGL中采用紋理映射，對(duì)葉片、莖稈即麥穗采用相應(yīng)的紋理進(jìn)行映射。圖8

小麥各主要器官模型進(jìn)行紋理映射后，小麥葉片、莖稈及麥穗的細(xì)節(jié)信息得到體現(xiàn)，這樣的模擬效果使得模型更加真實(shí)，更貼近實(shí)際的小麥形態(tài)。在結(jié)合實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)后，能夠模擬某一特定時(shí)刻的整株小麥。從成熟期小麥器官尺寸數(shù)據(jù)中抽取了20條數(shù)據(jù)，并取其平均值作為模擬的尺寸數(shù)據(jù)。通過(guò)這種結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的模擬方法，能夠更準(zhǔn)確地模擬出特定時(shí)刻小麥的形態(tài)和尺寸，用戶可以觀察和研究小麥在不同時(shí)刻的生長(zhǎng)狀態(tài)和外觀變化。圖9

2.2 光照和陰影模擬效果

研究表明，設(shè)計(jì)中，采用天空盒技術(shù)以及光照和陰影技術(shù)來(lái)為小麥渲染出一個(gè)虛擬三維生長(zhǎng)環(huán)境。這種技術(shù)模擬了天空的形狀和光影效果，為小麥的生長(zhǎng)發(fā)育提供了更加自然和真實(shí)的背景。并根據(jù)小麥的生長(zhǎng)特征和總體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特征來(lái)構(gòu)建整株虛擬小麥，確保虛擬小麥的形狀、大小和比例均與真實(shí)的小麥相符。

添加光照效果后，小麥模擬的效果得到了進(jìn)一步的提升。光照效應(yīng)使得虛擬小麥的形態(tài)、紋理和顏色更加逼真，更貼近真實(shí)世界中的光照狀態(tài)。陰影的投射和渲染增加了模型的層次性，也賦予小麥模型更真實(shí)的立體效果。此外，通過(guò)調(diào)整光照效果的參數(shù)，可以模擬不同光照條件下小麥陰影的變化。通過(guò)改變光源的位置、顏色、強(qiáng)度等屬性，能夠觀察到小麥在不同光照環(huán)境下的變化，使得該可視化系統(tǒng)能夠更進(jìn)一步的模擬小麥在不同光照條件下的外觀和特征。圖10

2.3 小麥生長(zhǎng)模擬顯示效果

研究表明，將在不同時(shí)間的小麥形態(tài)數(shù)據(jù)與上述的形態(tài)結(jié)構(gòu)模擬、光照和陰影效果結(jié)合之后，系統(tǒng)能夠完整且連續(xù)地模擬小麥從反青期、起身期到拔節(jié)期，直至灌漿期與成熟期的形態(tài)變化。在這種連續(xù)的模擬過(guò)程下，用戶可以通過(guò)系統(tǒng)一步步地跟蹤小麥的生長(zhǎng)過(guò)程，并深入了解每個(gè)發(fā)育階段的形態(tài)特點(diǎn)和細(xì)節(jié)。圖11

2.4 可視化系統(tǒng)交互與信息顯示效果

研究表明，系統(tǒng)的可視化界面被設(shè)計(jì)為具有2個(gè)主要顯示區(qū)域。左側(cè)占據(jù)了較大的區(qū)域，用做三維展示區(qū)域。在此區(qū)域內(nèi)，系統(tǒng)通過(guò)鍵盤和鼠標(biāo)的操作可以實(shí)現(xiàn)視角的移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)和縮放等操作，以實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬小麥結(jié)構(gòu)形態(tài)的全方位觀測(cè)。此外，可以通過(guò)雙擊鼠標(biāo)進(jìn)入旋轉(zhuǎn)小麥模式，在該模式下同樣可以使用鍵盤和鼠標(biāo)進(jìn)行操作，從不同的角度和距離進(jìn)行細(xì)致的觀察。這種操作模式使得用戶可以更加自由地探索小麥的結(jié)構(gòu)形態(tài)，無(wú)論是在整體還是在局部，均能得到清晰且全面的視圖。表2

右側(cè)區(qū)域?qū)ｉT用于展示當(dāng)前小麥的生長(zhǎng)數(shù)據(jù)。在此區(qū)域中，根據(jù)小麥生長(zhǎng)模擬模型輸出的數(shù)據(jù)，可以同步顯示各小麥器官隨著生長(zhǎng)而產(chǎn)生變化的形態(tài)尺寸數(shù)據(jù)旨在直觀清晰的展示小麥的生長(zhǎng)變化。在顯示區(qū)域的下方提供了一個(gè)控件區(qū)域，用于動(dòng)態(tài)控制小麥的生長(zhǎng)過(guò)程，這些控件不僅允許在開始模擬小麥生長(zhǎng)，還有“暫?！?、“重置”、“清除”等功能，通過(guò)拖動(dòng)進(jìn)度條還能夠?qū)崿F(xiàn)“快進(jìn)”控制，快速查看小麥在不同生長(zhǎng)階段的具體狀態(tài)。圖12

3討論

3.1虛擬植物作為實(shí)現(xiàn)數(shù)字農(nóng)業(yè)的有效手段，對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育規(guī)律的研究具有重要幫助[19]溫維亮等[20]通過(guò)對(duì)玉米各器官的形態(tài)結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行分析，建立了以品種、器官和生育時(shí)期等關(guān)鍵字為基礎(chǔ)的玉米器官三維模板資源庫(kù)，但該研究并未關(guān)注于模擬其生長(zhǎng)發(fā)育的變化過(guò)程。李書欽等[2實(shí)現(xiàn)了小麥的三維形態(tài)模擬，將其與小麥生長(zhǎng)虛擬模型的輸出數(shù)據(jù)相結(jié)合，據(jù)此構(gòu)建小麥生長(zhǎng)模擬與三維可視化系統(tǒng)，并能夠進(jìn)行逐日的小麥生長(zhǎng)過(guò)程模擬，該研究?jī)H關(guān)注了小麥葉片和莖稈的生長(zhǎng)變化，但未涉及小麥重要器官麥穗。

3.2研究在前人研究的基礎(chǔ)上針對(duì)小麥生長(zhǎng)過(guò)程的三維可視化，在Windows11操作系統(tǒng)上，采用Pycharm和Python為項(xiàng)目開發(fā)工具和編程語(yǔ)言，以PyOpenGL為圖形編程工具，以Pyside6為用戶界面開發(fā)工具，使用Bldender作為建模工具，依據(jù)真實(shí)小麥器官的結(jié)構(gòu)形態(tài)，對(duì)小麥的主要器官葉片、莖稈和麥穗進(jìn)行了建模。通過(guò)PyOpenGL的紋理映射、光照處理和陰影顯示等圖形顯示技術(shù)，使得呈現(xiàn)的小麥具有更加逼真的外觀形態(tài)。此外，采用天空盒技術(shù)和交互技術(shù)，讓用戶使用該系統(tǒng)時(shí)獲得小麥生長(zhǎng)變化的真實(shí)體驗(yàn)。與此同時(shí)，根據(jù)可視化系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示區(qū)域，可以清晰了解小麥在生長(zhǎng)過(guò)程中的變化以及不同生長(zhǎng)期的特征。

4結(jié)論

構(gòu)建出能夠模擬小麥生長(zhǎng)的虛擬三維可視化系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅能夠較為真實(shí)且詳細(xì)的顯示虛擬小麥的形態(tài)與信息，且數(shù)據(jù)輸入、變化、輸出控制模塊功能相對(duì)獨(dú)立，除適合描述小麥形態(tài)變化過(guò)程外，對(duì)玉米、棉花的形態(tài)展示也具備泛化能力。同時(shí)在光照和陰影處理中采用自定義設(shè)置，能夠模擬一天中的光影變化效果，將小麥虛擬生長(zhǎng)過(guò)程與其自然生長(zhǎng)更為貼近。可視化系統(tǒng)集成后。虛擬棉花、玉米等作物的生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)展示和信息交互等。

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Abstract：【Objective】 The 3D visualization function of virtual wheat growth holds significant importance for the quantitative research of wheat growth paterns.【Methods】In order to present the morphological and color changes of virtual wheat during growth，as well as its perception of lighting conditions，PyOpenGL was utilized toconstruct a 3D visualization systemof simulated wheat growth.The system integrated morphological data with model construction， texture mapping，and lighting and shading techniques to simulate dynamic wheat growth and its field environment.The interactive and information display functions of the visual simulation system were designed byusing Pyside6 user interface development tool.【Results】The study was based on the morphological characteristics of real wheat and the measured data，design the construction of the visualization system，can dynamicallyshow the changes of wheat growth，real-time display of current wheat information description and simulation of the surrounding environment.【Conclusion】The system can intuitively and coherently present the growth process of wheat，it has a high degree of parameterization and extensibility，the corresponding growth effect can be quickly generated by modifying the basic data and parameters.

Key words：wheat;3D visualization；PyOpenGL；growth simulation