Abstract ：

为了增强虚拟作物环境,提出了一种基于Butterfly细分规则以及DFFD方法的虚拟作物建模方法.根据植株的形态结构特征选取相应的初始叶片模型,用Butterfly插值型细分方法对其细分,以确定控制点集.通过扩充已有DFFD法对三维植株整体特征进行模拟,实现了小麦叶片向水稻植株的DFFD形态建模.实验证明,该方法较为逼真地虚拟作物植株建模效果,能够满足虚拟作物环境的需要.

Keyword ：

Butterfly DFFD方法 插值细分 虚拟作物

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自由变形技术是一种重要的几何外形编辑技术，通常独立于物体的表示，并且易于集成到现有的造型系统中，可应用于曲面模型以及多边形物体。因而近年来得到了广泛的应用。本文主要针对自由变形技术在三维曲面变形和B样条曲面控制变形两方面的应用进行了研究并在虚拟作物环境中实现，主要研究内容如下：1. 本文针对Dirichlet 自由变形方法不适合三维曲面变形的情况，提出了一种基于细分理论的三维Dirichlet 自由变形算法，采用细分理论选取控制点集，将三维曲面上求两点之间最短距离问题转化为二维平面上求带权图最短路径问题，用细分前后三角面片的面积之和来表示Voronoi单元或部分Voronoi单元面积，并由此给出了一种适合由多边形表示的三维曲面的Voronoi图构造方法及Sibson邻居和Sibson坐标的计算方法。2. 本文基于细分曲面理论构造控制网格，提出了一种基于细分理论的B样条曲面自由变形算法。利用Doo-Sabin细分模式构造插值顶点位置和法向的双二次B样条曲面控制网格，得到插值曲面的参数表示，再将模型上的点参数化到插值曲面上，得到该点的局部坐标。由于局部坐标在变形过程中保持不变并且细分方法具有处理任意拓扑网格的能力，从而通过编辑模型的B样条曲面控制网格实现三维模型的多分辨率变形。3. 基于本文所提算法，本文在三维虚拟环境中实现了虚拟作物叶子的变形。在整体变形时，变形效果比传统的Dirichlet自由变形算法具有明显优势；在局部变形时，实现了B样条曲面控制的自由变形，并且通过控制细分层次和设定采样点阈值，可以满足变形的精确性与实时性的要求。

Keyword ：

采样点阈值 插值曲面 带权图最短路径 细分曲面 自由变形

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以JavaScript脚本描述农作物生长的知识,构建出农作物生长的知识引擎组件,并对不同植株使用不同的知识引擎组件对象,解决了不同植株生长模型不同,一个环境中生长显示的问题,提高了虚拟作物实验系统开发系统的适用性.

Keyword ：

JavaScript 虚拟作物 知识引擎 组件

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为真实模拟作物果实以增强虚拟作物环境的真实感,提出一种基于Loop细分格式的虚拟作物果实建模方法.根据果实形态结构特征建立相应的控制网格,定义适当的细分规则生成果实模型,并扩充已有的细分规则实现对果实非光滑特征的模拟.对小麦和玉米果实形态建模的实例表明,本方法用于作物果实建模效果逼真,满足虚拟作物环境的需要.

Keyword ：

Loop 非光滑特征 细分 虚拟作物

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细分曲面是一种新的离散造型技术，通过定义控制网格和细分规则来表示曲面。它不仅具备B样条曲面仿射不变性等良好性质，还具有参数曲面所没有的任意拓扑适应性等特点，因而近年来得到了广泛的应用。本文主要针对细分曲面技术在三维建模和碰撞检测两方面的应用进行了研究并在虚拟作物环境中实现，主要研究内容如下： 本文基于Loop细分曲面建模，提出了一种带有非光滑特征的Loop细分曲面快速生成算法，针对经典的Loop细分曲面存在使曲面过于光滑的问题，对Loop细分规则进行了扩展，以模拟曲面上的角点、折痕等非光滑特征。为解决传统基于CPU的串行Loop细分算法在细分层次较大时速度较慢的问题，本文算法将Loop细分的核心部分在GPU中并行实现。在预计算阶段将控制网格划分成网格片段，采用螺旋列举方式映射到面片纹理，并针对待细分的顶点计算其细分模板，生成查找表，存储在纹理单元中；在细分核心阶段，网格片段在GPU的片段处理器中被并行细分，最终生成的顶点信息被重新传入GPU渲染管线进行绘制。 为了对以NURBS曲面表示的物体进行碰撞检测，本文从精确性和实时性两方面考虑，改进了已有算法，提出了一种基于NURBS细分曲面的碰撞检测算法，将节点反插技术引入到NURBS曲面细分中，并提出了通过控制点间距离测试进行精确碰撞检测的方法。 实验结果表明，本文所提出的带有非光滑特征的Loop细分曲面快速生成算法，在细分层次较大时，绘制速度比传统算法有明显的优势；本文所提出的基于NURBS细分曲面的碰撞检测算法，可以用于NURBS曲面表示的物体之间的碰撞检测，有较好的精确性和实时性。

Keyword ：

细分曲面非光滑特征GPU碰撞检测NURBS曲面

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提出了用XML描述作物生长模型脚本的方法,通过引入组件技术构建出知识引擎组件,组件的结构是基于Observer模式的,可用不同的功能类来处理脚本中不同功能节点的信息.针对脚本中自定义的3种变量,开发了类似于C++的模板类并进行归一化处理,以减少代码的冗余.知识引擎组件对象把生长模型的XML脚本作为自身的一个属性对XML脚本进行实时解释,驱动虚拟作物器官组件对象生长,使生长模型中的农学知识从虚拟作物试验系统开发平台和虚拟作物器官组件中分离出来.在运行过程中使用多线程技术使知识引擎能够受外部控制,随时中断解释,以便于进行试验.通过一棵完整玉米的虚拟生长过程,验证了所提知识引擎能使作物形态的数学模型与作物形态显示模型完整地结合在一起,真实地再现作物的生长发育过程.

Keyword ：

XML脚本 实时解释 组件技术 作物生长模型

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文章阐述了一个基于MVC模式的虚拟作物实验平台,并给出了基于Java语言和Java3D API的初步实现.将MVC模式应用于虚拟作物实验平台,使得平台不但具有良好的可扩展性,而且还提高了平台的人机交互性能.

Keyword ：

MVC 设计模式 虚拟现实 虚拟作物

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碰撞检测问题在机器人运动规划、计算机图形学等领域中有很长的研究历史，近年来随着虚拟现实、分布交互仿真等技术的兴起，碰撞检测问题开始成为研究的热点。本文在对各类碰撞检测算法做出全面了解、透彻分析的基础上，针对碰撞检测技术目前存在的问题提出了一种新的混合BVH碰撞检测算法和一种基于NURBS曲面的FDH算法。对如何利用图形硬件的高计算性能，加速碰撞检测过程进行了有益的探索性研究。首先，本文提出了混合BVH算法，即基于固定方向凸包（FDH）、AABB和图像空间的快速碰撞检测算法。该算法在碰撞检测的初步检测阶段构造了FDH层次包围盒树来进行碰撞初判，在精确求交层建立AABB层次包围盒来快速设置图形硬件绘制时所需的视域参数，再实时解码、绘制凸块的压缩三角形带，并对绘制结果进行实时查询，分析得出碰撞检测的正确结果。其次，本文提出了两种优化方法，一种是利用虚拟环境中发生碰撞的帧与帧之间的关联性，对已发生的碰撞进行缓冲，以便下一次的碰撞检测可以利用已检测的上一次碰撞的信息，加快了碰撞检测的速度；另一种是在初步检测阶段使用分割过滤法，滤去不需要的数据，以减少不必要的计算，更好的提高了碰撞检测的效率。最后，针对构成虚拟作物中的许多器官由NURBS曲面组成，本文提出一种基于NURBS控制点的FDH层次二叉树算法，该算法只在NURBS控制点建立FDH来进行碰撞检测，从而极大的提高了碰撞检测的效率。实验结果表明，本文所提出的混合BVH碰撞检测算法不仅能很好地解决任意形状刚体间的碰撞检测，而且极大的提高了碰撞检测的速度。本文提出的两种优化方法和基于NURBS曲面的FDH算法也很好的提高了碰撞检测的效率。

Keyword ：

碰撞检测层次包围盒FDHAABB基于图像

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随着软件规模和复杂度的增加，利用软件架构动态可视化技术来对软件运行时架构信息进行可视化，对于在宏观层面上理解、调试和分析软件系统有着巨大的意义。然而，由于对软件架构和软件可视化的研究涉入较晚，导致目前软件架构动态可视化的框架和工具并不多见。而且，这些工具在软件架构动态信息收集和展示两个方面都存在着不足，不能得到很好的应用。因此，本文研究的重点是如何设计和实现一个通用的软件架构动态可视化框架，以弥补当前工具的不足。 本文首先对现有的信息收集技术进行分析，提出了基于AOP（Aspect-Oriented Programming，面向方面编程）技术的软件架构动态信息收集模型，利用AOP模块化横切关注点的优势来弥补现有的信息收集技术在可控性和可扩展性方面的不足。其次，本文分析了现有工具在信息展示技术上的不足之处，提出基于时间、空间和功能三个维度的软件架构动态信息展示模型，将软件架构的动态信息比较全面的展示出来。最后，本文在上述两个模型的基础上设计和实现了一个通用的软件架构动态可视化框架，并将该框架应用到虚拟作物生长系统开发平台的开发和维护中。实践证明，相比目前的工具，基于AOP的软件架构动态可视化框架能够以一种松耦合的形式来方便的为软件提供架构动态可视化的功能；而且，从时间、空间和功能三个维度对架构动态信息的可视化满足了不同用户的需求，能够更好的帮助人们去理解和开发复杂的软件。

Keyword ：

软件架构动态可视化面向方面编程软件可视化

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基于组件的应用程序具有良好的可重用性、灵活性、可管理性和可维护性,本文阐述了基于组件技术的虚拟作物生长系统开发平台的设计要点,并分析了用组件技术开发的优点.

Keyword ：

虚拟现实 虚拟作物 组件技术

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