時間：2022-03-04 19:37:26
開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創(chuàng)造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇計算機(jī)圖形學(xué)論文，希望這些內(nèi)容能成為您創(chuàng)作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進(jìn)步。
1.1 計算機(jī)圖形學(xué)概述
我們現(xiàn)代人生活在各種各樣的信息之中，如何應(yīng)用計算機(jī)處理信息，處理圖形成為了一個越來越重要的課題。本論文所要介紹的計算機(jī)圖形技術(shù)，是計算機(jī)領(lǐng)域的熱門領(lǐng)域之一，它是同電子硬件和計算機(jī)的周邊設(shè)備一同發(fā)展而來。隨著人類在航空航天、軍事和通信等領(lǐng)域的突破，計算機(jī)圖形學(xué)也得到了很快的發(fā)展。
計算機(jī)圖形學(xué)是一門實用計算機(jī)產(chǎn)生、顯示以及處理圖形界面的知識體系。計算機(jī)圖形學(xué)已經(jīng)變得越來越重要，主要原因是：人們接收和發(fā)出信息，圖形是很好的一種傳遞信息的方式。一個圖形本身，就具有很豐富的信息，人們根據(jù)圖形能夠很自然快速地與外界進(jìn)行交流。
1.2 計算機(jī)圖形學(xué)研究熱點
計算機(jī)圖形學(xué)主要研究以下三個方面的內(nèi)容。第一：隱藏線（面）的消除；第二：基本曲線的裁剪以及繪制；第三：現(xiàn)代圖形學(xué)熱點研究的內(nèi)容，主要是虛擬現(xiàn)實技術(shù)、可視化、三維立體的重建等等。
由于在一個圖形應(yīng)用或圖形軟件中要大量重復(fù)調(diào)用這些基礎(chǔ)算法，因此在這方面的任何進(jìn)步都會對整個圖形系統(tǒng)產(chǎn)生很大的影響。計算機(jī)圖形學(xué)的基礎(chǔ)算法經(jīng)過人們幾十年的研究，己比較成熟。但每一個進(jìn)步對解決圖形技術(shù)所面臨的存儲、傳輸、顯示等問題都有很大的幫助。
2. 基礎(chǔ)算法的研究
2.1 多邊形裁剪算法
裁剪是處理圖形一種很基礎(chǔ)的方法，常見的裁剪操作主要有將不同的圖形裁剪拼接形成新的圖形。我們可以看出，裁剪算法在計算機(jī)圖形學(xué)中是一種十分基礎(chǔ)但是卻又十分重要的操作[1]。
本論文所提到的裁剪方法，主要是針對凸多邊形的。裁剪方法主要可以分為四個方法：中點算法、CS算法、CB算法、梁B算法。
（1）CS算法是Cohen-Sutherland的一種分區(qū)編碼算法[2]。CS算法以前是計算機(jī)圖形學(xué)中很重要的一種算法。CS算法對線段可以分為以下三種情況：窗內(nèi)、窗外以及其它情況。我們在使用CS算法的時候，需要判斷線段兩端端點的編碼，進(jìn)而判斷窗口和線段之間的位置關(guān)系，這種算法的缺點是對于判斷所做的工作比其他算法多。端點編碼檢查算法的核心代碼如下：
end point code algorithm
P1 and P2 are the end points of the line
xL，xn，yT，yB are the left， right， top and bottom window coordinates calculate the end point codes
put the codes for each end into 1*4 arrays called P1code and P2code
first end point： P1
if x1 < xL then P1code（4） = 1 else P1code（4） = 0
if x1 > xR then P1code（3） = 1 else P1code（3） = 0
if y1 < yB then P1code（2） = 1 else P1code（2） = 0
if y1 < yT then P1code（1） = 1 else P1code（1） = 0
second end point： P2
if x2 < xL then P1code（4） = 1 else P1code（4） = 0
if x2 > xR then P1code（3） = 1 else P1code（3） = 0
if y2 < yB then P1code（2） = 1 else P1code（2） = 0
if y2 < yT then P1code（1） = 1 else P1code（1） = 0
finish
（2）中點算法是基于硬件實現(xiàn)的。重點算法同樣把窗口和線段的關(guān)系分成三種情況：窗內(nèi)、窗外以及其它情況。對于窗內(nèi)和窗外這兩種情況，中點算法和CS算法的處理方法相同；對于第三種情況，中點算法簡單地將線段分成兩段。中點算法是基于硬件的，所以算法比較簡單，相對于用軟件來實現(xiàn)，更偏重于用硬件來實現(xiàn)。
（3）CB算法能夠裁剪任意一種凸多邊形的窗口。CB算法會將交點簡化成上下兩組，主要判斷的方法是：直線段的方向矢量和窗口邊法矢量的點積是否大于零。CB算法會取上組部分最小的交點以及下組最大的交點，作為可見部分的端點。由于CB算法更適用于一般情況，所以CB算法的運算更加復(fù)雜。
（4）梁B算法在四種方法中，運算速度最快。但是在某些特殊情況下，梁B算法也需要進(jìn)行大量的運算。
四種基礎(chǔ)算法的適用情況，如表2-1所示。
2.2 逐點生成算法
上一小節(jié)主要介紹了圖像的裁剪，本小節(jié)的逐點生成算法主要著重于研究圖形曲線的繪制。由于任何圖像都是根據(jù)圖形而來，而任何圖形都需要繪制，所以圖形曲線的繪制也是一項非常基礎(chǔ)性的研究課題。
科學(xué)家最開始采用幾何算法作為繪圖算法，這是因為以前的圖形顯示器都是掃描類型的顯示器。目前這種算法已經(jīng)很少采用，但是在工程制圖的繪制過程中，受到各方面的限制，我們往往不得不采取這種方法。這種算法的基本思想就是：步長之間的兩個點，采取直線的方法連接。但是由于步長很小，我們實際看起來就是一條曲線。由于繪制條件以及算法本身的限制，這類算法有著自身的缺點：運算量非常大而且繪制不夠精細(xì)。
不同于曲線的幾何算法，像素級生成算法是一種全新的基于計算機(jī)的算法，這種算法主要分成兩種。第一種是對參數(shù)方程進(jìn)行求導(dǎo)，進(jìn)而計算出小于或等于一個像素迭代步長的距離的點。這類算法的優(yōu)點是能夠適用于大多數(shù)曲線的繪制；這類算法的缺點是計算量很大，而且會造成多余的計算。第二種是根據(jù)曲線的隱式方程，找出曲線走向中下一個像素中最近的點。正是由于采用了這種原理進(jìn)行曲線繪制，所以曲線的誤差在一個像素范圍內(nèi)。這類算法的優(yōu)點是速度快，因為每一次的步長都是一個像素點的距離；這類算法的缺點是適用范圍狹窄[3]。
3. 結(jié)論
我們現(xiàn)代人生活在各種各樣的信息之中，如何應(yīng)用計算機(jī)處理信息，處理圖形成為了一個越來越重要的課題。本論文主要介紹了計算機(jī)圖形學(xué)，以及兩種基礎(chǔ)算法：多邊形裁剪算法和逐點生成算法。對于這些基礎(chǔ)算法的研究，對提高計算機(jī)圖形系統(tǒng)系能具有重要的意義。
參考文獻(xiàn)
[1]高云 計算機(jī)圖形學(xué)若干基礎(chǔ)算法的研究[J] 沈陽工業(yè)大學(xué)，2002.
[2]沈穎，宋文強(qiáng) 計算機(jī)圖形學(xué)的基本算法實現(xiàn)研究[J] 電腦知識與技術(shù)，2009，17（5）：4518-4519.
關(guān)鍵詞：計算機(jī)圖形學(xué)；實驗；教學(xué)研討
中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B
計算機(jī)圖形學(xué)是一門理論與實驗并重的學(xué)科。從理論方面看，該學(xué)科主要涉及與圖形相關(guān)的概念和算法，和數(shù)
學(xué)、物理等相關(guān)學(xué)科的關(guān)系緊密，學(xué)起來有一定的難度。而實驗是理論教學(xué)的深化與補(bǔ)充，是抽象轉(zhuǎn)化為具體的方式，是晦澀難懂的公式變?yōu)榛钌嬅娴倪^程。通過實驗，不僅可以培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)知識解決實際問題的能力，而且對于建立學(xué)生自信心、培養(yǎng)學(xué)生興趣也起至關(guān)重要的作用。學(xué)生對該課程是既喜歡又擔(dān)心學(xué)起來難度太大，如何上好第一次課，改變學(xué)生的態(tài)度，如何安排教學(xué)內(nèi)容和實驗環(huán)節(jié)，使學(xué)生既易于接受又能反映計算機(jī)圖形學(xué)的基礎(chǔ)知識和最新知識。本文針對這些問題，結(jié)合教學(xué)中的實際情況淺談一下自己的看法和體會。
1課程內(nèi)容介紹
在多數(shù)人的印象中，計算機(jī)圖形學(xué)和其它專業(yè)課相比較，數(shù)學(xué)公式太多，難以學(xué)習(xí)和理解。但是由于它的諸多應(yīng)用非常具有吸引力，尤其它是大家所感興趣的游戲和動畫的基礎(chǔ)，很多學(xué)生又想接觸它。如何加強(qiáng)學(xué)生的這個念
頭，第一次課非常關(guān)鍵，它在很大程度上決定了學(xué)生是否選學(xué)這門課。圖形學(xué)的理論雖然抽象，但是所表示的內(nèi)容卻形象，可以以此作為突破口。我們知道被稱為“圖形學(xué)之父”的Sutherland博士論文答辯時，將所研究的內(nèi)容制作一部電影，邊放映邊講解，大獲成功。所以我覺得可以從一個動畫短片或游戲片段出發(fā)，將所涉及的圖形學(xué)知識融會貫通起來。因為在沒學(xué)習(xí)圖形學(xué)之前，學(xué)生很難建立圖形學(xué)知識和游戲動畫之間的聯(lián)系。他們只知道圖形學(xué)理論很抽象，游戲動畫很容易吸引學(xué)生眼球，而且也知道它們之間的關(guān)系很緊密，但具體有什么聯(lián)系卻不是很清楚。我們可以從此出發(fā)，引出圖形學(xué)的相關(guān)知識，讓學(xué)生在不知不覺中了解圖形學(xué)，接受圖形學(xué)。這樣輕松建立了相關(guān)知識點與實際應(yīng)用的聯(lián)系，也解答了學(xué)生學(xué)有何用的疑問。
現(xiàn)以動畫短片《棋逢敵手》(Geri's Game)為例來說明如何引出圖形學(xué)內(nèi)容。該短片講述的是Geri老頭在公園跟自己下棋的事，故事情節(jié)生動，動畫效果惟妙惟肖，很具吸引力。學(xué)生非常感興趣，這是怎么做的，采用什么技術(shù)，Geri老頭是怎么得到的等等一系列問題。我們便可以問題為導(dǎo)向一一解釋給學(xué)生。Geri老頭采用的是一種稱為Catmull－Clark的細(xì)分曲面造型技術(shù)，在造型之前需要準(zhǔn)備數(shù)據(jù)，所謂巧婦難為無米之炊，一般這樣的數(shù)據(jù)是先建立一個實物的模型，然后通過三維激光掃描儀獲取的。三維掃描儀掃描實物的表面數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)量大，而且?guī)в性胍?，所以需要做去噪，簡化等處理。簡化后得到Geri老頭的表面骨架，然后再采用細(xì)分曲面造型技術(shù)獲取光滑逼真的模型。細(xì)分造型是一種逐層加細(xì)技術(shù)，如圖1所示，圖1(a)-(c)是不同層次的效果。從中可以看出圖(c)圖形的光滑效果最好，而圖(a)最差。但是圖(c)的數(shù)據(jù)量最大，這就需要根據(jù)不同情況選擇不同的圖形，如圖2所示，當(dāng)圖形距離我們較遠(yuǎn)時可以選擇精度不高的(a)圖形，而較近時選擇(c)圖形。在游戲動畫方面，對速度要求高，而對圖形逼真性的要求相對低，這時可以選擇數(shù)據(jù)量小的圖形。這樣通過圖形展示給學(xué)生以感性的認(rèn)識，一方面易于接受，易于理解，另一方面也能增加學(xué)習(xí)的興趣。另外，形象逼真的圖形采用真實感繪制技術(shù)，場景遠(yuǎn)近變化利用了圖形變換的知識等等。一個短篇，基本上把圖形學(xué)的相關(guān)內(nèi)容都包括了，我們還可以再結(jié)合其它一些具體生動的圖形動畫介紹給學(xué)生。實際上，在圖形學(xué)授課的各個環(huán)節(jié)，為了調(diào)節(jié)枯燥的數(shù)學(xué)公式，都可以演示一些相關(guān)內(nèi)容的圖形，也所謂的多媒體教學(xué)，在這方面，圖形學(xué)應(yīng)該更有優(yōu)勢。
2理論與實踐并重
對計算機(jī)圖形學(xué)這樣的專業(yè)課而言，理論的學(xué)習(xí)離不開實踐，實驗是非常重要的一個環(huán)節(jié)。抽象的理論，乏味的數(shù)學(xué)公式，如果不和實驗結(jié)合，學(xué)生是體會不到學(xué)習(xí)樂趣的。通過實驗，所學(xué)的知識得以鞏固，枯燥的算法與生動的圖形之間建立聯(lián)系。學(xué)生的興趣也是通過實驗建立起來的。每次實驗報告，我都會要求學(xué)生寫下心得體會，從報告可以看出，多數(shù)學(xué)生能夠在實驗中找到快樂，能夠通過實驗建立自信心，成就感。他們說做實驗很受鍛煉，知識掌握的也更牢固。當(dāng)然有的學(xué)生也提到，做實驗是一件非常辛苦的事情，特別是沒有思路或者找不到錯誤時，真的很痛苦。但是成功后的滿足，特別是做出來的那一瞬間，那種心境別人無法體會。
由于計算機(jī)圖形學(xué)是專業(yè)限選課，學(xué)時不多。我們一般安排32個上課學(xué)時和16個實驗學(xué)時。為了增加學(xué)生的知識面，我們的實驗是在Sun工作站Solaris操作系統(tǒng)下采用gcc編譯器進(jìn)行，編程時調(diào)用OpenGL庫中的圖形函數(shù)。通常安排4個學(xué)時熟悉這些內(nèi)容。這樣根據(jù)剩余學(xué)時安排五個小實驗：直線生成、裁剪、幾何變換、曲線生成以及真實感圖形繪制，還有一個綜合性實驗：做一個簡單的圖形系統(tǒng)。題目的要求隨著難易程度變化。直線生成算法比較簡單，學(xué)生編寫的程序應(yīng)具有通用性，適用于任何直線。裁剪算法是為了確定顯示區(qū)域內(nèi)的圖形，實驗一般要求實現(xiàn)線段裁剪算法，算法易于實現(xiàn)，考慮到易操作性，采用交互式的畫線方式，即以鼠標(biāo)點擊繪圖區(qū)的位置確定線段的起點和終點，其中涉及消息映射和屏幕坐標(biāo)到世界坐標(biāo)轉(zhuǎn)化等相關(guān)知識。幾何變換幾乎在每個圖形系統(tǒng)或圖形應(yīng)用軟件都有使用，其主要包括旋轉(zhuǎn)、平移、縮放以及復(fù)合變換等內(nèi)容。學(xué)生對三維圖形更感興趣，尤其是較復(fù)雜的圖形。在做該實驗時，通常先介紹一些三維圖形的相關(guān)知識，包括幾何圖形表示、存儲形式以及讀文件操作等，一般以簡單的OBJ數(shù)據(jù)文件為例。然后讓學(xué)生實現(xiàn)三維圖形的幾何變換。另外，考慮到該實驗包括幾個操作，增加了菜單選擇功能。曲線曲面也是圖形學(xué)的核心內(nèi)容，生成方法有兩種：一種是逐層遞推的方法，另一種是根據(jù)參數(shù)曲線定義。學(xué)生根據(jù)自己的理解選擇不同的方法實現(xiàn)。在曲線生成的基礎(chǔ)上，增加鼠標(biāo)拖動控制點改變曲線曲面形狀的功能。真實感實驗是為了增加學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，通過調(diào)用OpenGL的庫函數(shù)做出一些漂亮的效果，讓學(xué)生感覺到圖形學(xué)功能很強(qiáng)大，一些看似復(fù)雜的效果實現(xiàn)起來也簡單，只需調(diào)用OpenGL中現(xiàn)成的庫函數(shù)。綜合性實驗報告我也鼓勵學(xué)生做一些自己感興趣的東西，比如有的學(xué)生對游戲很感興趣，基礎(chǔ)也較好，想做一個小游戲，我是完全許可的。應(yīng)該來說，安排的實驗任務(wù)重，覆蓋內(nèi)容多，在有限學(xué)時內(nèi)完成這些實驗是不可能的，需要學(xué)生在課外做許多準(zhǔn)備工作。而且，有些知識點較難，學(xué)生難以消化。針對這種情況，實驗部分也分了解和掌握兩種情況，這樣做的一個目的就是想增加學(xué)生的知識面。
3教學(xué)內(nèi)容安排
計算機(jī)圖形學(xué)知識更新快，內(nèi)容深而廣，如何在有限的學(xué)時內(nèi)安排教學(xué)內(nèi)容，使講解的知識難度適中，既兼顧基礎(chǔ)知識又可以反映計算機(jī)圖形學(xué)的最新成果和技術(shù)，同時，既兼顧理論又兼顧實驗。另外，在學(xué)生可以接受的情況下盡可能介紹三維知識。
我們的教學(xué)內(nèi)容主要分這幾部分內(nèi)容：光柵圖形學(xué)，圖形變換，幾何造型，真實感圖形繪制。而且，各部分內(nèi)容貫穿OpenGL的相關(guān)知識。前兩部分比較基礎(chǔ)，內(nèi)容相對簡單，課時盡可能安排緊湊，理論講的相對深入。但是對于幾何造型，尤其是曲線曲面造型部分，內(nèi)容的深淺需要根據(jù)學(xué)生情況來把握。曲面難度較大，一般只介紹大致的思路及做一些演示。對于曲線，如果講得比較深入，對于基礎(chǔ)不好的學(xué)生來說也難以接受。我曾嘗試采用分段多項式的形式推導(dǎo)B樣條基函數(shù)，不少同學(xué)聽得很費力，甚至影響后面知識的學(xué)習(xí)。現(xiàn)在講這部分內(nèi)容時，我只是介紹基函數(shù)的由來，告訴學(xué)生基函數(shù)是根據(jù)曲線的性質(zhì)和定義推導(dǎo)出來的，不是隨隨便便指定的，這樣學(xué)生比較容易接受。實際上，無論Bezier曲線或B樣條曲線，都是曲線造型技術(shù)中的經(jīng)典算法，但也存在缺點。目前比較流行的曲線造型技術(shù)是細(xì)分算法，它有很多很好的性質(zhì)，如多分辨率，應(yīng)用簡單等。由于其比較新，很多教科書中尚未介紹。一般我從應(yīng)用層的角度將三次B樣條細(xì)分和四點插值細(xì)分等典型算法介紹給學(xué)生，介紹他們的特點以及實現(xiàn)技術(shù)。真實感圖形繪制部分，涉及數(shù)學(xué)、物理、心理學(xué)等方面的知識，理論較深，不太適合本科生學(xué)習(xí)。但由于其做出來的圖形太漂亮，很具吸引力。而且，用OpenGL的庫函數(shù)實現(xiàn)并不難，所以這部分內(nèi)容我一般是介紹一些基本概念，然后做一些程序演示。一方面增加學(xué)習(xí)的興趣，另一方面讓他們意識到，有些知識盡管理論比較深，但由于有現(xiàn)成的類似OpenGL庫函數(shù)這樣的技術(shù)支撐，也容易實現(xiàn)。很多東西并不是想象的那么神秘，那么可怕。
4結(jié)語
計算機(jī)圖形學(xué)是一門理論內(nèi)容深，應(yīng)用范圍廣的課程。本文就如何組織教學(xué)內(nèi)容談了自己的見解和體會，目的在于提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生在易于接受的情況下學(xué)到更多有用的知識。實踐表明方法具有一定的可行性，普遍學(xué)生反映，通過課程的學(xué)習(xí)體會到了圖形學(xué)的博大精深，增加了圖形學(xué)的學(xué)習(xí)興趣。但也有部分同學(xué)感覺有些內(nèi)容講解不夠深入，難以理解。所以，如何在有限的學(xué)時內(nèi)更好地組織教學(xué)，還有待進(jìn)一步探討。相信通過學(xué)習(xí)、思考和實踐可以做得更好。
參考文獻(xiàn)：
[1] 唐榮錫,汪嘉業(yè),彭群生. 計算機(jī)圖形學(xué)教程(修訂版)[M]. 北京:科學(xué)出版社,2000.
[2] 周開進(jìn),王志剛. 計算機(jī)學(xué)科與數(shù)學(xué)的強(qiáng)相關(guān)性及其對專業(yè)教育的影響[J]. 中山大學(xué)學(xué)報論叢,2002,(6).
【關(guān)鍵詞】 三維模型 視圖 特征提取
一、引言
隨著三維掃描技術(shù)和計算機(jī)圖形學(xué)廣泛應(yīng)用于工業(yè)，機(jī)械，醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，三維模型成為一種新多媒體數(shù)據(jù)類型，面對龐大的三維模型數(shù)據(jù)庫， 幫助用戶快速準(zhǔn)確地獲取所需三維模型，實現(xiàn)資源重用成為了計算機(jī)視覺、計算機(jī)圖形學(xué)界的一個研究熱點。如何合理地描述三維模型即特征提取成為三維模型檢索首先要解決的難點問題。同時絕大多數(shù)三維模型檢索的研究都是針對通用模型進(jìn)行的. 這也使得對三維模型特征提取的研究更加復(fù)雜?，F(xiàn)有的三維模型檢索技術(shù)可以分為基于統(tǒng)計特征、基于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、基于幾何結(jié)構(gòu)分析和基于視圖四大類。
基于統(tǒng)計特征的方法通過對三維模型的某一特征信息進(jìn)行統(tǒng)計，獲得統(tǒng)計直方圖后將其量化而得到三維模型特征向量，但是大多數(shù)統(tǒng)計特征帶有隨機(jī)性， 檢索性能不穩(wěn)定?；谕?fù)浜徒Y(jié)構(gòu)分析得到的特征在檢索系統(tǒng)中檢索響應(yīng)時間較長?；谝晥D將三維模型投影成多個不同視角的二維圖像，再對二維投影進(jìn)行特征的提取用以描述三維模型。這種方法將復(fù)雜的三維問題轉(zhuǎn)化為較為成熟的二維圖像處理問題，降低了計算的復(fù)雜度，符合人的視覺特征，檢索性能較好?；谝晥D的三維模型特征提取一般為三個步驟模型預(yù)處理，視圖獲取，描述符提取。
二、模型預(yù)處理
對于任意三維模型，其初始空間位置、尺寸及方向具有很大的隨機(jī)性，為了對三維模型在相同尺度、相同規(guī)則下進(jìn)行比較檢索，首先對其進(jìn)行位置和尺寸標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)處理。一般分為三個部分平移歸一化，旋轉(zhuǎn)歸一化，尺度歸一化。 完整的模型歸一化過程表述為如下的幾何變換。
S*R*（I-C） （2-1）
式中： s 為縮放系數(shù)；R 為對應(yīng)于PCA變換的旋轉(zhuǎn)矩陣；I 為原始模型坐標(biāo)；C為坐標(biāo)原點。
2.1平移歸一化
平移歸一化的目的是為了在模型上找到一個點作為新坐標(biāo)系的原點，重新計算模型在新坐標(biāo)系中的頂點坐標(biāo)實際應(yīng)用中的三維模型往往不是密度均勻分布的模型，文獻(xiàn)[1]采用面積加權(quán)法來提高重心平移的魯棒性，也就是將每個點的表面積作為該頂點的權(quán)重。
2.2旋轉(zhuǎn)歸一化
旋轉(zhuǎn)歸一化的目的是為了保證模型具有一個統(tǒng)一的姿態(tài)方向，使得提取的特征具有旋轉(zhuǎn)不變性，文獻(xiàn)[2]對旋轉(zhuǎn)歸一化改進(jìn)利用蒙特卡羅法在三維模型表面均勻采點，以此代替原來頂點。該方法的特點是能快速地按照等面積原則，在三維模型表面采樣大量的三維點數(shù)據(jù)。
2.3 尺度歸一化
為了統(tǒng)一三維模型的尺度，保證拉伸不變性，需要計算縮放因子。文獻(xiàn)[1]采用的方法是找到模型中距離質(zhì)心最遠(yuǎn)的頂點，取值為這個最大距離的倒數(shù)，然后按照這個系數(shù)進(jìn)行縮放。
三、視圖獲取
模型預(yù)處理完成后需要進(jìn)行視圖提取，按照提取的視圖是否進(jìn)行二次選擇可分為：最優(yōu)視圖提取和多視圖提取.
3.1多視圖提取
多視圖提取一般將模型放在球體或正方體盒內(nèi)，在不同角度攝取二維深度圖像，Min[3]等人提出使用三維模型的二維輪廓圖描述比較模型之間的相似性。該方法從模型的正視、側(cè)視及俯視三個固定方向獲得二維投影視圖，然后對每副視圖進(jìn)行輪廓特征提取。該方法由于只選擇了三個固定方向上獲取視圖。不能夠完全表達(dá)模型Chen[4]等提出一種基于光場（LightFiel Descriptor， LFD）的特征算法。首先，在正十二面體的10個頂點處捕獲二維圖像，由于正十二面體是對稱的所以只取20個頂點中的10個。每個頂點處設(shè)定10中不同的光場，這樣對于各個三維模型可以采100張圖像。對于每張圖像提取Zemike矩特征（取35個系數(shù)）和傅里葉變換特征（取10個系數(shù)），最后用4500維的特征向量來表示一個三維模型，龐大的特征向量帶來計算的困難。Shih[5]等提出了一種基于正視圖的特征提取算法，提取六個正視圖來表示三維模型，所有正視圖都是二維灰度圖形，用最小正方體盒包圍三維模型分別從前部，上部，右部，后部，下部和左部6個角度投影獲得正視圖，將每個圖形分解為L個同心正方形提取出圖形描述符。
3.2最優(yōu)視圖提取
由于產(chǎn)生的多視圖來描述模型在檢索模型時計算時間長，且有些視圖是冗余的。有些研究者會將多視圖進(jìn)行最優(yōu)選擇出一組或一個最優(yōu)視圖。Cyr[6]等人提出基于形狀相似性的代表性視圖（Aspect Graph）方法。該方法首先對三維模型從不同視點得到大量視圖，然后用一組代表性視圖描述三維模型。代表性視圖通過對視圖集聚類分析，選擇那些彼此之間存在明顯差異的視圖而得到。
劉志等采用AdaBoost算法對輸入三維模型形狀特征進(jìn)行相似性學(xué)習(xí)得到該模型的最優(yōu)視圖樣例，然后將輸入模型從不同視點得到的渲染視圖和最優(yōu)視圖樣例進(jìn)行形狀相似性分析，以相似度最高者作為輸入模型的最優(yōu)視圖.得到的最優(yōu)視圖不僅可以有效地逼近用戶選擇結(jié)果而且具有較好的穩(wěn)定性。
四、總結(jié)
由于三維模型及其組成的三維場景能提供比二維圖像更多、更豐富的視覺感知細(xì)節(jié)。所以三維模型的檢索與復(fù)用近年來成為計算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的一個重要研究課題。但三維模型比二維圖像特征提取更為復(fù)雜，現(xiàn)在二維圖像處理技術(shù)非常成熟所以將三維模型表達(dá)成視圖在進(jìn)行處理，得到很好的模型描述符在檢索三維模型時節(jié)省時間。
參 考 文 獻(xiàn)
[1]基于視圖的三維模型檢索技術(shù)研究 馮毅攀 浙江工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 2011.10.20
[2]三維模型特征提取與檢索 柳 偉 申請上海交通大學(xué)博士學(xué)位論文 2008.1
[3] P. Min， J. Chen， T. Funkhouser. A 2D sketch interface for a 3D model search engine[A]. Proc of 2002 annual conference on Computer Graphics Proceedings[C]. San Autonio： ACM， 2002， 138.
[4]D.Y. Chen， X.P. Tian， Y.T. Shen. et al. On visual similarity based on 3D model retrieval[J]. Computer Graphics Forum. 2003， 22（3）： 223-232
[5] C.M. Cyr， B.B. Kimia. 3D object recognition using shape similarity-based aspect graph[A]. Proc of the 8th International Conference of Computer Vision[C]. Vancouver： ICCV， 2001， 254-261.
英文名稱：Journal of Software
主管單位：中國科學(xué)院
主辦單位：中國科學(xué)院軟件研究所
出版周期：月刊
出版地址：北京市
語
種：中文
開
本：16開
國際刊號：1000-9825
國內(nèi)刊號：11-2560/TP
郵發(fā)代號：82-367
發(fā)行范圍：國內(nèi)外統(tǒng)一發(fā)行
創(chuàng)刊時間：1990
期刊收錄：
SA 科學(xué)文摘(英)(2009)
CBST 科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)速報(日)(2009)
Pж(AJ) 文摘雜志(俄)(2009)
EI 工程索引(美)(2009)
中國科學(xué)引文數(shù)據(jù)庫(CSCD―2008)
核心期刊：
中文核心期刊(2008)
中文核心期刊(2004)
中文核心期刊(2000)
中文核心期刊(1996)
中文核心期刊(1992)
期刊榮譽(yù)：
中科雙百期刊
聯(lián)系方式
論文摘要：計算科學(xué)主要講述了一種科學(xué)的思想方法，計算科學(xué)的基本概念、基本知識它的發(fā)展主線、學(xué)科分支、還有計算科學(xué)的特點、發(fā)展規(guī)律和趨勢。
引言：隨著存儲程序式通用電子計算機(jī)在上世紀(jì)40年代的誕生，和計算科學(xué)的快速發(fā)展以及取得的大量成果。計算科學(xué)這一學(xué)科也也應(yīng)運而生?！队嬎憧茖W(xué)導(dǎo)論》正如此書的名字，此書很好的詮釋了計算科學(xué)這一學(xué)科，并且指導(dǎo)了我們應(yīng)如何去學(xué)好這一學(xué)科。使得我們收獲頗多。并且讓我深深的反思了我的大學(xué)生活。正如趙老師書中所講的：“計算科學(xué)是年輕人的科學(xué)，一旦你選擇了計算科學(xué)作為你為之奮斗的專業(yè)類領(lǐng)域，就等于你選擇了一條布滿荊棘的道路。一個有志于從事計算科學(xué)研究與開發(fā)的學(xué)生，必須在大學(xué)幾年的學(xué)習(xí)中，打下堅實的基礎(chǔ)，才有可能在將來學(xué)科的高速發(fā)展中，或在計算機(jī)產(chǎn)品的開發(fā)和快速更新?lián)Q代中有所作為。
一什么是計算科學(xué)和它的來歷
計算科學(xué)主要是對描述和變換信息的算法過程，包括其理論、分析、設(shè)計、效率分析、實現(xiàn)和應(yīng)用的系統(tǒng)研究。全部計算科學(xué)的基本問題是，什么能（有效的）自動運行，什么不能（有效的）自動運行。本科學(xué)來源于對數(shù)理邏輯、計算模型、算法理論、自動計算機(jī)器的研究，形成于20世紀(jì)30年代的后期。
隨著存儲程序式通用電子計算機(jī)在上世紀(jì)40年代的誕生，人類使用自動計算裝置代替人的人工計算和手工勞動的夢想成為現(xiàn)實。計算科學(xué)的快速發(fā)展以也取得大量成果，計算科學(xué)這一學(xué)科也也應(yīng)運而生。
二計算科學(xué)的發(fā)展
a、首先先介紹圖靈機(jī)
圖靈機(jī)的發(fā)明打開了現(xiàn)代計算機(jī)的大門和發(fā)展之路。圖靈機(jī)通過一條兩端可無限延長的袋子，一個讀寫頭和一組控制讀寫頭的（控制器）組成它有一個狀態(tài)集和符號集，而此符號集一般只使用0和1兩個符號。而就是這個簡潔的結(jié)構(gòu)和運行原理隱含了存儲程序的原始思想，深刻的揭示了現(xiàn)代通用電子數(shù)字計算機(jī)的核心內(nèi)容。現(xiàn)在通用的計算機(jī)是電子數(shù)字計算機(jī)，而電子數(shù)字計算機(jī)的發(fā)展是建立在圖靈機(jī)的基礎(chǔ)之上。他的二進(jìn)制思想使計算機(jī)的制作的簡化成只需兩個穩(wěn)定態(tài)的元器件。這在今后的計算機(jī)制作上無論是二極管或集成電路上都顯示了明顯的優(yōu)越性。
b、計算機(jī)帶動的計算學(xué)科
1946年隨著現(xiàn)代意義上的電子數(shù)字計算機(jī)ENIAC的誕生。掀起了社會快速發(fā)展的嶄新一頁。計算機(jī)工作和運行就擺在了人們的面前。
1、計算機(jī)語言
我們要用計算機(jī)求解一個問題，必須事先編好程序。因此就出現(xiàn)了最早的機(jī)器指令和匯編語言。20世紀(jì)50年代后，計算機(jī)的發(fā)展步入了實用化的階段。然而，在最初的應(yīng)用中，人們普遍感到使用機(jī)器指令編制程序不僅效率低下，而且十分別扭，也不利于交流和軟件維護(hù)，復(fù)雜程序查找錯誤尤其困難，因此，軟件開發(fā)急需一種高級的類似于自然語言那樣的程序設(shè)計語言。1952年，第一個程序設(shè)計語言ShortCode出現(xiàn)。兩年后，F(xiàn)ortran問世。作為一種面向科學(xué)計算的高級程序設(shè)計語言，F(xiàn)ortran的最大功績在于牢固地樹立了高級語言的地位，并使之成為世界通用的程序設(shè)計語言。Algol60的誕生是計算機(jī)語言的研究成為一門科學(xué)的標(biāo)志。該語言的文本中提出了一整套的新概念，如變量的類型說明和作用域規(guī)則、過程的遞歸性及參數(shù)傳遞機(jī)制等。而且，它是第一個用嚴(yán)格的語法規(guī)則——巴科斯范式（BNF）定義語言文法的高級語言。還有用于支持結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計的PASCAL語言，適合于軍隊各方面應(yīng)用的大型通用程序設(shè)計語言ADA，支持并發(fā)程序設(shè)計的MODULA-2，支持邏輯程序設(shè)計的PROLOG語言，支持人工智能程序設(shè)計的LISP語言，支持面積對象程序變換的SMALLTALK、C等。
2、計算機(jī)系統(tǒng)和軟件開發(fā)方法
現(xiàn)代意義上的計算機(jī)絕不是一個簡單的計算機(jī)了而也包括了軟件（系統(tǒng)軟件、應(yīng)用軟件）。各種各樣的軟件使得計算機(jī)的用途大大增強(qiáng)。而軟件開發(fā)也成為了一個重要課題和發(fā)展方向。軟件開發(fā)的理論基礎(chǔ)即是計算模型。隨著計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、分布式處理和多媒體的發(fā)展。在各種高級程序設(shè)計語言中增加并發(fā)機(jī)構(gòu)以支持分布式程序設(shè)計，在語言中通過擴(kuò)展繪圖子程序以支持計算機(jī)圖形學(xué)程序設(shè)計在程序設(shè)計語言中已非常的流行。之后，在模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換等接口技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)的支持下，通過擴(kuò)展高級語言的程序庫又實現(xiàn)了多媒體程序設(shè)計的構(gòu)想。進(jìn)入20世紀(jì)90年代之后，并行計算機(jī)和分布式大規(guī)模異質(zhì)計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展又將并行程序設(shè)計語言、并行編譯程序、并行操作系統(tǒng)、并行與分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)等試行軟件的開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)依然與高級語言和計算模型密切相關(guān)，如各種并行、并發(fā)程序設(shè)計語言，進(jìn)程代數(shù)，PETRI網(wǎng)等，它們正是軟件開發(fā)方法和技術(shù)的研究中支持不同階段軟件開發(fā)的程序設(shè)計語言和支持這些軟件開發(fā)方法和技術(shù)的理論基礎(chǔ)----計算模型
3、計算機(jī)圖形學(xué)
在計算機(jī)的硬件的迅速發(fā)展中。隨著它的存儲容量的增大，也掀起了計算機(jī)的巨大改革。計算機(jī)圖形學(xué)、圖像處理技術(shù)的發(fā)展，促使圖形化界面的出現(xiàn)。計算機(jī)圖形學(xué)是使用計算機(jī)輔助產(chǎn)生圖形并對圖形進(jìn)行處理的科學(xué)。并由此推動了計算機(jī)輔助設(shè)計（CAD）、計算機(jī)輔助教學(xué)（CAI）、計算機(jī)輔助信息處理、計算機(jī)輔助測試（CAT）等方向的發(fā)展。圖形化界面的出現(xiàn)，徹底改變了在一個黑色的DOS窗口前敲代碼輸入控制命令的時代。同時也成就了一個偉大的公司Microsoft。
4、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)
隨著用戶迫切需要實現(xiàn)不同計算機(jī)上的軟硬件和信息資源共享。網(wǎng)絡(luò)就在我們的需求中誕生了。網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和信息資源的交換使每臺計算都變成了網(wǎng)絡(luò)計算機(jī)。這也促進(jìn)計算機(jī)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用。
三計算機(jī)學(xué)科的主線及發(fā)展方向
圍繞著學(xué)科基本問題而展開的大量具體研究，形成學(xué)科發(fā)展的主流方向與學(xué)科發(fā)展主線和學(xué)科自身的知識組織結(jié)構(gòu)。計算學(xué)科內(nèi)容按照基礎(chǔ)理論、基本開發(fā)技術(shù)、應(yīng)用以及他們與硬件設(shè)備聯(lián)系的緊密程度分成三個層面：
1、計算科學(xué)應(yīng)用層
它包括人工智能應(yīng)用與系統(tǒng)，信息、管理與決策系統(tǒng)，移動計算，計劃可視化，科學(xué)計算機(jī)等計算機(jī)應(yīng)用的各個方向。
2、計算科學(xué)的專業(yè)基礎(chǔ)層
它是為應(yīng)用層提供技術(shù)和環(huán)境的一個層面，包括軟件開發(fā)方法學(xué)，計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)，程序設(shè)計科學(xué)，計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)、電子計算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)。
3、計算科學(xué)的基礎(chǔ)層
它包括計算科學(xué)的數(shù)學(xué)理論，高等邏輯等內(nèi)容。其中計算的數(shù)學(xué)理論涵蓋可計算性與計算復(fù)雜性理論形式語言與計算機(jī)理論等。
四計算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展及網(wǎng)絡(luò)安全
(1)計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與病毒
一個現(xiàn)代計算機(jī)被定義為包含存儲器、處理器、功能部件、互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、匯編程序、編譯程序、操作系統(tǒng)、外部設(shè)備、通信通道等內(nèi)容的系統(tǒng)。
通過上面定義，我們發(fā)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)也被加入到計算機(jī)當(dāng)中。說明了網(wǎng)絡(luò)的重要以及普及性。21世紀(jì)是信息時代。信息已成為一種重要的戰(zhàn)略資。信息科學(xué)成為最活躍的領(lǐng)域之一，信息技術(shù)改變著人們的生活方式?，F(xiàn)在互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于科研、教育、企業(yè)生產(chǎn)、與經(jīng)營管理、信息服務(wù)等各個方面。全世界的互聯(lián)網(wǎng)Internet正在爆炸性的擴(kuò)大，已經(jīng)成為覆蓋全球的信息基礎(chǔ)設(shè)施之一。
因為互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展與應(yīng)用，我們各行各業(yè)都在使用計算機(jī)。信息安全也顯得格外重要。而隨著計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的安全受到嚴(yán)重的挑戰(zhàn)，來自計算機(jī)病毒和黑客的攻擊及其他方面的威脅也越來越大。其中計算機(jī)病毒更是很難根治的主要威脅之一。計算機(jī)病毒給我們帶來的負(fù)面影響和損失是刻骨銘心的，譬如1999年爆發(fā)的CIH病毒以及2003年元月的蠕蟲王病毒等都給廣大用戶帶來巨大的損失。
我們想更好的讓計算機(jī)為我們服務(wù)，我們就必須很好的利用它，利用網(wǎng)絡(luò)。同時我們也應(yīng)該建立起自己的防護(hù)措施，以抵抗外來信息的侵入，保護(hù)我們的信息不受攻擊和破壞。
(2)計算機(jī)病毒及它的防范措施：
計算機(jī)病毒是一組通過復(fù)制自身來感染其它軟件的程序。當(dāng)程序運行時，嵌入的病毒也隨之運行并感染其它程序。一些病毒不帶有惡意攻擊性編碼，但更多的病毒攜帶毒碼，一旦被事先設(shè)定好的環(huán)境激發(fā)，即可感染和破壞。
<一>、病毒的入侵方式
1．無線電方式。主要是通過無線電把病毒碼發(fā)射到對方電子系統(tǒng)中。此方式是計算機(jī)病毒注入的最佳方式，同時技術(shù)難度也最大。可能的途徑有：①直接向?qū)Ψ诫娮酉到y(tǒng)的無線電接收器或設(shè)備發(fā)射，使接收器對其進(jìn)行處理并把病毒傳染到目標(biāo)機(jī)上。②冒充合法無線傳輸數(shù)據(jù)。根據(jù)得到的或使用標(biāo)準(zhǔn)的無線電傳輸協(xié)議和數(shù)據(jù)格式，發(fā)射病毒碼，使之能夠混在合法傳輸信號中，進(jìn)入接收器，進(jìn)而進(jìn)人信息網(wǎng)絡(luò)。③尋找對方信息系統(tǒng)保護(hù)最差的地方進(jìn)行病毒注放。通過對方未保護(hù)的數(shù)據(jù)鏈路，將病毒傳染到被保護(hù)的鏈路或目標(biāo)中。
2．“固化”式方法。即把病毒事先存放在硬件（如芯片）和軟件中，然后把此硬件和軟件直接或間接交付給對方，使病毒直接傳染給對方電子系統(tǒng)，在需要時將其激活，達(dá)到攻擊目的。這種攻擊方法十分隱蔽，即使芯片或組件被徹底檢查，也很難保證其沒有其他特殊功能。目前，我國很多計算機(jī)組件依賴進(jìn)口，困此，很容易受到芯片的攻擊。
3．后門攻擊方式。后門，是計算機(jī)安全系統(tǒng)中的一個小洞，由軟件設(shè)計師或維護(hù)人發(fā)明，允許知道其存在的人繞過正常安全防護(hù)措施進(jìn)入系統(tǒng)。攻擊后門的形式有許多種，如控制電磁脈沖可將病毒注入目標(biāo)系統(tǒng)。計算機(jī)入侵者就常通過后門進(jìn)行攻擊，如目前普遍使用的WINDOWS98，就存在這樣的后門。
4．?dāng)?shù)據(jù)控制鏈侵入方式。隨著因特網(wǎng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，使計算機(jī)病毒通過計算機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)控制鏈侵入成為可能。使用遠(yuǎn)程修改技術(shù)，可以很容易地改變數(shù)據(jù)控制鏈的正常路徑。
<二>病毒攻擊的防范的對策
1．建立有效的計算機(jī)病毒防護(hù)體系。有效的計算機(jī)病毒防護(hù)體系應(yīng)包括多個防護(hù)層。一是訪問控制層；二是病毒檢測層；三是病毒遏制層；四是病毒清除層；五是系統(tǒng)恢復(fù)層；六是應(yīng)急計劃層。上述六層計算機(jī)防護(hù)體系，須有有效的硬件和軟件技術(shù)的支持，如安全設(shè)計及規(guī)范操作。超級秘書網(wǎng)
2．嚴(yán)把收硬件安全關(guān)。國家的機(jī)密信息系統(tǒng)所用設(shè)備和系列產(chǎn)品，應(yīng)建立自己的生產(chǎn)企業(yè)，實現(xiàn)計算機(jī)的國產(chǎn)化、系列化；對引進(jìn)的計算機(jī)系統(tǒng)要在進(jìn)行安全性檢查后才能啟用，以預(yù)防和限制計算機(jī)病毒伺機(jī)入侵。
3．防止電磁輻射和電磁泄露。采取電磁屏蔽的方法，阻斷電磁波輻射，這樣，不僅可以達(dá)到防止計算機(jī)信息泄露的目的，而且可以防止“電磁輻射式”病毒的攻擊。
4．加強(qiáng)計算機(jī)應(yīng)急反應(yīng)分隊建設(shè)。應(yīng)成立自動化系統(tǒng)安全支援分隊，以解決計算機(jī)防御性的有關(guān)問題。
很多公司都有因為電腦被入侵而遭受嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失的慘痛經(jīng)歷，不少普通用戶也未能避免電腦被破壞的厄運，造成如此大損失的并不一定都是技術(shù)高超的入侵者所為，小小的字符串帶給我們的損失已經(jīng)太多。因此，如果你是數(shù)據(jù)庫程序開發(fā)人員、如果你是系統(tǒng)級應(yīng)用程序開發(fā)人員、如果你是高級計算機(jī)用戶、如果你是論壇管理人員......請密切注意有關(guān)字符漏洞以及其他各類漏洞的最新消息及其補(bǔ)丁，及時在你的程序中寫入防范最新字符漏洞攻擊的安全檢查代碼并為你的系統(tǒng)安裝最新的補(bǔ)丁會讓你遠(yuǎn)離字符帶來的危險。經(jīng)常殺毒，注意外來設(shè)備在計算機(jī)上的使用和計算機(jī)對外網(wǎng)的鏈接。也可以大大有效的避免計算機(jī)被攻擊。
五總結(jié)
在學(xué)了計算科學(xué)導(dǎo)論之后，讓我更深入的了解了我將來要從事的學(xué)科。計算科學(xué)導(dǎo)論指導(dǎo)著我們該怎么學(xué)習(xí)計算機(jī)。讓我更清楚的知道我們信息安全專業(yè)的方向。正如計算科學(xué)這座大樓一樣，在不斷的成長。信息安全也必將隨著網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)一步發(fā)展而更多的被人們重視。總之學(xué)習(xí)了這門課之后讓我受益匪淺，也知道自己應(yīng)該好好努力，爭取在自己的專業(yè)領(lǐng)域上有所成就。
參考文獻(xiàn)：
1、《計算科學(xué)導(dǎo)論》（第三版），趙志琢著，科學(xué)出版社2004版
2、《計算機(jī)病毒分析與對抗》傅建明彭國軍張煥國編著武漢大學(xué)出版社2004版
關(guān)鍵詞： 虛擬植物；生長模擬；植物建模
中圖分類號：TP391.41
文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A
文章編號：2095-2163（2017）02-0075-04
Abstract：The research meaning of virtual plants are introduced. Then typical modelling methods of virtual plant are also expounded. Meanwhile， different modelling methods are concretely and systematically compared and analyzed. After that， the advantages and disadvantages of different modelling methods are summarized. Finally， the existing problems in the virtual plant research are further put forward.
Keywords：virtual plant； growth simulation； plant modeling
0 引 言
植物在自然界中，千姿百態(tài)，種類繁多，是自然景物的重要組成部分。從20世紀(jì)60年代開始，人們即已著手研究利用計算機(jī)模擬植物動態(tài)生長過程。由于技術(shù)的限制，研發(fā)建立的模型主要偏向于植物功能的模擬。近幾十年來，隨著科技的飛速發(fā)展和計算機(jī)處理能力的大幅提升，植物形態(tài)結(jié)構(gòu)的計算機(jī)模擬也發(fā)展到了一個新時期，虛擬植物的概念隨即應(yīng)運而生。虛擬植物[1]涉及領(lǐng)域眾多，包括計算機(jī)圖形學(xué)、植物學(xué)、地理、農(nóng)業(yè)、虛擬現(xiàn)實、遙感、土壤學(xué)等，是集眾多領(lǐng)域門類科研成果之大成的新式交叉學(xué)科。此類研究是利用計算機(jī)圖形學(xué)相關(guān)的知識對植物生長進(jìn)行建模，模擬植物的動態(tài)生長過程，并通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)[2]（Virtual Reality）顯示植物在二維或三維空間中的生長發(fā)育過程和形態(tài)，從而在農(nóng)林業(yè)、娛樂、科研教育等方面呈現(xiàn)出高效廣泛的應(yīng)用價值。本文將首先解讀虛擬植物的研究意義，而后探討論述了各種典型的虛擬植物建模方法，對不同的建模方法進(jìn)行比較分析，總結(jié)闡釋了不同的建模方法的優(yōu)點和不足之處，最終指出了虛擬植物研究中存在的問題。
1 虛擬植物的研究意義
虛擬植物的研究主要集中在2個方向：一個是植物的外形，另一個是植物的生長過程。前者注重是否有逼真的形態(tài)，后者注重于是否依循植物學(xué)理論。目前，虛擬植物應(yīng)用開始轉(zhuǎn)向于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)和持續(xù)農(nóng)業(yè)上，將虛擬植物技術(shù)應(yīng)用在農(nóng)業(yè)研究中具有至關(guān)重要意義，現(xiàn)將其概述如下。
1）應(yīng)用虛擬植物技術(shù)進(jìn)行虛擬農(nóng)田試驗，可以部分代替物質(zhì)世界中難以實現(xiàn)或者費時、昂貴的試驗，縮短某些課題的試驗周期，加快功能研發(fā)進(jìn)程。
2）通過觀察虛擬害蟲的生活習(xí)性，確定最適合的噴藥方法和時間，減少成本，降低環(huán)境污染。
3）虛擬植物技g與遙感技術(shù)相結(jié)合，將遙感獲取的數(shù)據(jù)應(yīng)用到植物建模上，模擬選擇區(qū)域的植物生長狀況，從而合理灌溉和施肥，提高資源利用率。
2 虛擬植物的研究
2.1 虛擬植物的研究現(xiàn)狀
二十世紀(jì)七十年代，針對虛擬植物研究，有關(guān)人員即已選擇利用細(xì)胞自動生長來模擬植物的分枝過程。1968年，美國生物學(xué)家 Lindenmayer在論文中首次提出了一種基于“字符串重寫”的文法系統(tǒng)，稱為 L 系統(tǒng)（L-System）。澳大利亞研究機(jī)構(gòu)基于L系統(tǒng)方法設(shè)計了虛擬植物軟件Vitual Plants，可以用來模擬花生、小麥、玉米等農(nóng)作物的生長，以及外界因素對植物生長的影響。加拿大Calgary大學(xué)在L系統(tǒng)建模方法基礎(chǔ)之上又支持研發(fā)了L-studio，Virtual Laboratory等系列軟件。20世紀(jì)80年代，法國農(nóng)業(yè)發(fā)展國際會議中心以參考軸技術(shù)為基礎(chǔ)，又獨家研創(chuàng)了虛擬植物系統(tǒng)AMAP[3]。該系統(tǒng)將植物數(shù)據(jù)輸入到植物數(shù)據(jù)庫中，通過分析數(shù)據(jù)提取生長規(guī)則，從而建立植物生長模型。此外，國內(nèi)還有趙星等分析目前主流的各類植物生長模型之后，認(rèn)為僅有參考軸技術(shù)和L系統(tǒng)適合模擬植物的生長過程。具體來說，就是在自動機(jī)模型的基礎(chǔ)上建立了雙尺度自動機(jī)模型，該模型能夠全面真實模擬虛擬植物生長，包含有微狀態(tài)和宏狀態(tài)兩種尺度狀態(tài)。雙尺度自動機(jī)模型與其它模型相比，不僅能夠精練地表達(dá)植物的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而且模型更加形象直觀，易于理解和實現(xiàn)。
2.2 虛擬植物的建模方法
虛擬植物建模方法有很多，目前居于主流的建模方法主要有迭代函數(shù)系統(tǒng)（Iterated Function System，IFS）、L系統(tǒng)、隨機(jī)過程、粒子系統(tǒng)（Partial System）、基于圖像的造型等?，F(xiàn)給出研究綜述如下。
2.2.1 迭代函數(shù)系統(tǒng)
迭代函數(shù)系統(tǒng)（Iterated Function System，IFS）理論是一種研究分形幾何的數(shù)學(xué)方法[4] ，由Hutchinson 和 Barnsley相繼發(fā)表提出。IFS的設(shè)計思想是在仿射變換的基礎(chǔ)上，幾何對象的整體和局部具有自相似結(jié)構(gòu)。迭代函數(shù)系統(tǒng)理論包括以下幾個方面：壓縮仿射變換、不動點定理和拼貼定理等[5]。IFS系統(tǒng)在自然景物的計算機(jī)建模方面比規(guī)則形狀構(gòu)圖的傳統(tǒng)方法更具有優(yōu)勢[6]，只需要給出仿射變換系數(shù)，經(jīng)過一系列反復(fù)迭代，就能快速生成需求期望的分形體圖形。
2.2.2 L-系統(tǒng)
L-系統(tǒng)是美國植物學(xué)家Lindenmayer 在 1968 年從生物形態(tài)學(xué)的角度出發(fā)而重點設(shè)計推出的一種關(guān)于植物形態(tài)與生長的系統(tǒng)[7]。L-系統(tǒng)又稱為字符串替換法[8]，其本質(zhì)是一個重寫系統(tǒng)（不斷地替換初始對象），通過對植物對象生長過程規(guī)則的提取和概括，構(gòu)造重寫規(guī)則和初始字符串，利用重寫規(guī)則不斷地將初始字符串替換為新的字符串，進(jìn)行有限次反復(fù)迭代，并對產(chǎn)生的字符串加入幾何解釋，最終生成分形圖形。王美麗等即在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)了小麥根系在外界因素中的動態(tài)生長模擬；康利等則以大豆為例，提取了葉脈的L系統(tǒng)規(guī)則，由此得到了較為真實的葉脈模擬。由于L-系統(tǒng)本身的特性，L-系統(tǒng)獲得了不斷的改進(jìn)和擴(kuò)展，其中主要包括隨機(jī)L-系統(tǒng)[9]、參數(shù)L-系統(tǒng)[10-11]、微分L-系統(tǒng)和上下文相關(guān)L-系統(tǒng)[12]、開放 L-系統(tǒng)（Open L-System）[13]、時變 L 系統(tǒng)（Timed L-System）[14] 等。
2.2.3 粒子系統(tǒng)
粒子系統(tǒng)是 Reeves 在 1983年成功研發(fā)的一種模擬一些特定不規(guī)則模糊現(xiàn)象的方法[15]，早期經(jīng)常用來模擬雪花、火焰、云、水流、流星、火花等，后來則逐步被用于研究模擬真實感的自然景象。當(dāng)下，已有羅維佳等基于粒子系統(tǒng)建立了實時降雨模型，該模型使用粒子組保證降雨的連續(xù)性；而王瑞杰等又在此基礎(chǔ)上提出了模擬實時雨雪算法，每一個粒子代表一個雨滴或者雪粒，把所有的粒子集中到眼點前的區(qū)域內(nèi)，充分利用每個粒子渲染當(dāng)前場景。在粒子系統(tǒng)中，每個粒子圖元在任意的時間均有自己的屬性，如顏色、形狀、大小、生存期、速度等，而一個粒子具有哪些屬性，主要取決于粒子系統(tǒng)所模擬的對象。同時，再由粒子系統(tǒng)本身的特性探討可知，粒子系統(tǒng)是一個有生命的系統(tǒng)，粒子在這個過程中會不斷地變化，不嗟匾貧，不斷地出現(xiàn)舊粒子的死亡和新粒子的產(chǎn)生。因此這些粒子在虛擬系統(tǒng)中都要經(jīng)歷“產(chǎn)生”、“運動和生長”、“死亡”三個階段[16]，這3個階段最終就使得模擬動態(tài)自然景象變成了可能。
2.2.4 隨機(jī)過程
隨機(jī)過程方法是由De Reffye等研究人員研發(fā)提供的一種虛擬植物建模方法[17]。該方法基于有限自動機(jī)（finite automation）來模擬植物形態(tài)，也稱為參考軸技術(shù)（reference axis technique）。植物的發(fā)育、生長、衰老、死亡等狀態(tài)都是通過該模型中馬爾可夫鏈理論以及狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖（state transition graph）的方式來展示推演并生成獲得的。參考軸技術(shù)能夠真實地模擬植物生長過程，著名的植物模擬軟件AMAP就是使用該技術(shù)開發(fā)植物結(jié)構(gòu)模型。另有中科院趙星等[18-21]在自動機(jī)模型的基礎(chǔ)上，建立了虛擬植物生長原理的雙尺度自動機(jī)模型[JP3]（dual-scale automaton），該方法重點包含了由植物的生長特性決定的微狀態(tài)和宏狀態(tài)兩種尺度的狀態(tài)，并通過這2種狀態(tài)的組合和循環(huán)模擬植物的生長過程，最終發(fā)展構(gòu)建出植物的模型。
2.2.5 基于圖像的造型
基于圖像的造型通常是指對一幅或多幅圖像的分析和處理[22-23]，獲得圖像中物體三維幾何表征的實用技術(shù)。其核心原理就是在計算機(jī)中輸入2個及2個以上物體的二維投影圖信息，根據(jù)算法獲取物體對象的二維幾何信息，建立相應(yīng)的三維模型。胡少軍等提出了基于稀疏圖像構(gòu)建三維樹模型；李云峰等以葉子為例，對圖像進(jìn)行一系列處理，并優(yōu)化改進(jìn)算法，實現(xiàn)了植物器官重現(xiàn)。目前，計算機(jī)還難于達(dá)到完全自動地從圖像中分離自然景物的各種信息，為此即需要加入人為的干預(yù)，充分利用人與計算機(jī)各自特點優(yōu)勢來共同解決復(fù)雜問題。
目前該領(lǐng)域的研究主要包括：基于輪廓的體重建（Volumes from Silhouettes）、基于剖面的曲面重建（Surface Curves from Profiles）、基于立體視覺的三維點重建（3D Points from Stereo）及圖形、圖像的混合造型方法。由于該建模方法是對圖像展開直接的分析與處理，從而能夠呈現(xiàn)更加真實的場景效果。
2.3 幾種植物建模方法的比較
計算機(jī)模擬植物的形態(tài)結(jié)構(gòu)有著廣泛的前景。如：在教育領(lǐng)域，師生們可以通過虛擬植物獲得高效率的學(xué)習(xí)、研究；在娛樂領(lǐng)域，計算機(jī)可視化技術(shù)給人們帶來了極具感官立體的真實沉浸感。隨著科技的進(jìn)步和計算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展，虛擬植物將會在更多領(lǐng)域得到應(yīng)用。不同時期提出的建模方法在解決科學(xué)問題方面都存在著差異，表1即對比解析了5種不同的建模方法的研究成果和不足之處。
3 存在的主要問題
綜合前述對植物建模主流方法的研討分析可以看出，不同植物建模方法都有著各自的優(yōu)缺點。自然界中，植物的種類各異，生長過程和環(huán)境也紛繁復(fù)雜，然而任何一種建模方法都有其獨特適用范圍和局限性，例如L-系統(tǒng)，雖然能夠較為真實地模擬植物的動態(tài)生長過程，但生成規(guī)則難以提取、且具一定理解難度；粒子系統(tǒng)，對模糊類的物體有較好的模擬效果，但對植物景觀的模擬效果卻呈現(xiàn)明顯劣勢。因此植物生長模型迄今尚未獲得一個完善的體系，仍需進(jìn)一步發(fā)展改進(jìn)。
虛擬植物的最初研究主要集中在地上部分（花、果實、枝葉、莖等），因此植物地下部分（根系）的研究還處于成果單調(diào)且薄弱階段。地下部分在植物的生長過程中起著至關(guān)重要的作用，是植物與外界進(jìn)行物質(zhì)交換的重要通道，因此若要切實模擬環(huán)境因素（水分、肥料等）對植物生長發(fā)育的影響，就要加強(qiáng)植物地下部分的研究，使得地上部分與地下部分充分結(jié)合，開發(fā)構(gòu)建完整的植物生長模型體系。
現(xiàn)在虛擬植物的可視化技術(shù)的起步時日也尚且較短，尤其對于那些有著復(fù)雜形體結(jié)構(gòu)的植物很難生成逼真的視效圖形，例如卷心菜的葉子交錯纏繞，以及碟形、輪狀花冠等比較復(fù)雜的花形。此外，在外力作用下植物的動態(tài)變化（如枝條的隨風(fēng)搖擺等）給虛擬植物的可視化技術(shù)帶來了更大挑戰(zhàn)。
4 結(jié)束語
隨著計算機(jī)處理能力的提高和計算機(jī)圖形學(xué)的進(jìn)步，虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用逐漸拓展至普通用戶， 自然景物建模即是虛擬現(xiàn)實中的建模難點。本文較為全面地縱覽解析了近幾年來植物建模的一些主流方法，可以作為參考借鑒，并在此基礎(chǔ)之上展開更為深入系統(tǒng)的研究。為達(dá)到對植物的真實感建模，在場景中構(gòu)建植物模型時，應(yīng)根據(jù)模型的具體要求以及整體效果，研究選用合適的建模方法和建模工具。
參考文獻(xiàn)：
ROOM P M， HANAN J S， PRUSINKIEWICZ P. Virtual plants： new perspectives for ecologists， pathologists and agricultural scientists[J]. Trends in Plant Science （ES1360-1385）， 1996， 1（1）： 33-38.
[2] GUO Y， LI B G. New advances in virtual plant research[J]. Chinese Science B， 2001， 46（11）： 888-894.
[3] De REFFYE P， FOURCAUD T， BLAISE F， et al. A functional model of tree growth and tree architecture[J]. Silva Fennica（S0037-5330），1997，31（3）：297-311.
[4] BARNSLEY M F， SLOAN A D. A better way to compress images[J]. BYTE Magizine，1988，13（1）：215-223.
[5] 肯尼思，法爾科內(nèi). 分形幾何一數(shù)學(xué)基礎(chǔ)及其應(yīng)用[M]. 沈陽：東北大學(xué)出版社，2001.
[6] 鄒運蘭，楊志紅，王仁芳. 基于迭代函數(shù)系統(tǒng)IFS的猶樹木模擬[J]. 計算機(jī)應(yīng)用與軟件，2012，29（3）：118-121.
[7] LINDENMAYER A. Mathematical models for celluar interaction in development，PartⅠand Parts Ⅱ[J]. Journal of Theoretical Biology，1968，18（3）：300-315.
[8]曾文曲，王向陽. Fractal theory and its computer simulation[M]. 沈陽：東北大學(xué)出版社，1993.
[9] WEBER J， PENN J. Creation and rendering of realistic trees[C]//Conference on Computer Graphics & Interactive Techniques. Los Angeles， CA， USA：ACM，1995：119-128.
[10]HANAN J S. Parametric L-systems and their application to the modelling and visualization of plants[D]. Regina：University of Regina， 1992.
[11]PRUSINKIEWICZ P， HANAN J. Visualization of botanical structures and process using parametric L-systems[M]// THALMANN， DANIEL. Scientific visualization and graphics simulation. New Jersey：John Wiley & Sons， Inc，1990：183-201.
[12]PRUSINKIEWICZ P， LINDENMAYER A. The algorithmic beauty of plants[M]. New York：Springer， 1990.
[13]MCH R， PRUSINKIEWICZ P. Visual models of plants interacting with their environment[C]// Proceeding SIGGRAPH’96 Proceedings of the 23rd annual conference on Computer graphics and interactive techniques. New Orleans， LA， USA：ACM，1996：397-410.
[14]PRUSINKIEWICZ P. A look at the visual modeling of plant using L-system[J]. Agronomic，1990，19（3/4）：11-29.
[15]REEVES W T， BIAU R. Approximate and probabilistic algorithms for shading and rending structured particle systems[C]// Proceeding SIGGRAPH’85 Proceedings of the 12th annual conference on Computer graphics and interactive techniques. San Francisco， California， USA：ACM，1985：313-322.
[16]王小銘，林拉. 樹木模擬的粒子系統(tǒng)模型及其實現(xiàn)[J]. 華南師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2003（3）：49-53.
[17]De REFFYE P， EDELIN C， FRANCON J， et al. Plant models faithful to botanical structure and development[J]. Computer Graphics， 1988， 22（4）：151-158.
[18]趙星，Philippe de Reffye，熊范綸，等. 虛擬植物生長的雙尺度自動機(jī)模型[J]. 計算機(jī)學(xué)報，2001，24（6）：608-615.
[19]趙星，Philippe de Reffye，熊范綸，等. 基于雙尺度自動機(jī)模型的植物花序模擬[J]. 計算機(jī)學(xué)報，2002，25（11）：116-124.
[20]趙星. 忠實于植物學(xué)的虛擬植物生長研究[D]. 合肥：中國科學(xué)與技術(shù)大學(xué)，2001.
[21]趙星. 虛擬植物生長中幾個問題的研究[D]. 北京：中國科學(xué)院自動化研究所，2003.
關(guān)鍵詞：虛擬場景 三維可視化 ArcGIS
中圖分類號：P208 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）05（a）-0029-02
在三維圖形世界中，可視化技術(shù)可以直接操作具有形體的信息，直接和計算機(jī)交流。該技術(shù)以一種直覺且自然的途徑統(tǒng)一了人和機(jī)器的力量，這無疑促進(jìn)了人們工作效率的極大提高。利用具有仿真、三維的且具有實時交互功能的可視化技術(shù)，人們可以用以前無法想象的手段在三維圖形世界中充分展示自己的創(chuàng)造性或信息獲取。三維可視化軟件大都依賴于計算機(jī)圖形學(xué)和可視化技術(shù)的發(fā)展，美國Skyline軟件，美國ERDAS公司的IMAGINE Virtual GIS，國內(nèi)靈圖的VRMap等，是比較專業(yè)的三維可視化系統(tǒng)軟件或平臺。由于建筑物三維景觀模型能夠?qū)^(qū)域建筑環(huán)境進(jìn)行再現(xiàn)，在計算機(jī)屏幕上，不僅可以看到生動、逼真的建筑模型，而且還可以實現(xiàn)漫游、量測、查詢等一系列操作，在建筑領(lǐng)域的GIS中有重要意義[1]。它給我們的體驗更逼真，為人們因種種原因不能或不方便直接觀察宏觀世界以及微觀世界的運動變化規(guī)律，提供了很大的便利和觀察的可能。該論文旨在建立某區(qū)域的建筑群的三維虛擬景觀模型，實現(xiàn)全方位展示該區(qū)域的整體形態(tài)和主要功能區(qū)細(xì)部特征，使公眾僅僅通過飛行瀏覽和鼠標(biāo)點擊即可“身臨其境”地了解該區(qū)域的概貌和其中感興趣的各方面相關(guān)介紹信息，同時提供有價值的咨詢信息和全數(shù)字實體模型。
1 該研究的相關(guān)理論
1.1 可視化
利用計算機(jī)圖形學(xué)、地圖學(xué)和圖像處理技術(shù)，把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成圖像或圖形，通過屏幕顯示，并進(jìn)行交互處理的理論、技術(shù)和方法，就叫可視化（Visualization）[2]。其本意是使事物被視覺所感知。它把數(shù)據(jù)或符號變成幾何圖形，便于研究人員對其模擬和計算過程進(jìn)行觀察。該技術(shù)向用戶提供靈活、有效使用信息的手段和方法，從而以多形式、多視角、多層次、綜合地表現(xiàn)空間環(huán)境信息，具有信息表達(dá)形象化、直觀化，操作簡單便利等，以便推廣應(yīng)用該系統(tǒng)?？梢暬诘乩硇畔⑾到y(tǒng)中主要有地理信息的可視化表示、地圖數(shù)據(jù)的可視化表示、空間分析結(jié)果的可視化表示。
1.2 TIN
利用不規(guī)則三角形面片構(gòu)造地質(zhì)模型的方法即T IN。廣義來講，T IN表面法是所有基于三角形面片構(gòu)造地質(zhì)模型方法的統(tǒng)稱，可用Delaunay三角剖分。以某種相對合理的方法把某一區(qū)域中隨機(jī)分布點聯(lián)系起來，建立較為完美形態(tài)和完善功能的三角形網(wǎng)絡(luò)，這就是T IN表面法的特點。
2 數(shù)據(jù)源與數(shù)據(jù)庫
2.1 輸入數(shù)據(jù)
該文使用的核心數(shù)據(jù)源是某區(qū)域的CAD平面圖，包括道路、操場、綠地、主體建筑物分布等信息。先把AutoCAD的平面圖導(dǎo)入ArcMap里，選擇合適的投影（這里以Beijing_1954_GK_Zone_19N為投影），按照原來的坐標(biāo)進(jìn)行配準(zhǔn)，然后在分析系統(tǒng)需求的基礎(chǔ)上，通過合理的取舍，運用ArcGIS的AreCatalog模塊[3-4]新建相應(yīng)的點、線、面等圖層并設(shè)置好投影，再用ArcMap軟件將柵格圖的各個地理要素數(shù)字化，得到新的該區(qū)域的二維矢量數(shù)據(jù)。經(jīng)過綜合取舍建立了16個圖層，如圖1所示。數(shù)字化后的矢量結(jié)果圖如圖2所示。
實體屬性數(shù)據(jù)的輸入一般可根據(jù)實際情況，采集、整理地物相關(guān)屬性數(shù)據(jù)。錄入屬性數(shù)據(jù)時，特別要注意的是點高程的錄入，高程點的分布用地統(tǒng)計分析Geostatistical Analyst工具分析之后，必須要接近正態(tài)分布。由于數(shù)字高程模型（如TIN等）是依據(jù)點的高程建立的，所以點的高程直接影響到模型的變化。本文通過對系統(tǒng)的需求進(jìn)行分析，將該區(qū)域空間數(shù)據(jù)按其空間特征細(xì)分為點、線、面等實體類型，把與地理空間有關(guān)的對象抽象為建筑物，道路、植被，水系等通用概念。Geodatabase的設(shè)計完成后，利用ArcCatalog開始建立數(shù)據(jù)庫。
2.2 TIN模型的建立
通常從多種矢量數(shù)據(jù)源中進(jìn)行TIN模型[5-6]的創(chuàng)建，創(chuàng)建TIN的數(shù)據(jù)源可用點、線與多邊形作為要素。創(chuàng)建TIN的操作如下：（1）對創(chuàng)建TIN所要使用的要素圖層進(jìn)行選擇；（2）選擇、合成要素；（3）設(shè)置輸出路徑及名稱。
2.3 紋理貼圖的貼圖采集和處理
在貼圖處理三維可視化中的地物時，主要用到的紋理數(shù)據(jù)包括建筑物的頂面、側(cè)面、草地、操場、圍墻、樹木、路燈及雕塑等紋理[7]。三維空間對象建模用真實影像數(shù)據(jù)，這樣三維可視化的逼真度可大大提高，用戶實時漫游時身臨其境的感覺也大大增強(qiáng)了。三維建模中所需的紋理貼圖數(shù)據(jù)獲取的方法主要有使用掃描儀掃描已有地物的圖片、搜集可用的紋理圖片、人工制作和地面攝影等。如圖2-1所示為紋理處理流程圖。
3 建筑群可視化模擬的實現(xiàn)與操作
3.1 數(shù)字建筑群的建立
關(guān)鍵詞：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 圖像處理 機(jī)器人 草莓
中圖分類號：TP301.6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416(2012)07-0091-02
國內(nèi)外對圖像處理技術(shù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論在果蔬商品化應(yīng)用中的部分成果已進(jìn)入了實用階段。隨著計算機(jī)科學(xué)的飛速發(fā)展和在許多領(lǐng)域中的成功應(yīng)用，果蔬采收分級的實時自動化已經(jīng)變得完全可能。但是，生物特征的多變性和隨機(jī)性與工業(yè)產(chǎn)品有著很大區(qū)別。在草莓采收、分級這一過程中，為了提高檢測的精度、速度和準(zhǔn)確性，需要解決多種技術(shù)問題，如：光源的選擇和設(shè)置；圖像的采集方式和圖像的質(zhì)量；硬件處理速度；模式識別算法；要求有更多分級算法的訓(xùn)練樣本等。從長遠(yuǎn)看，應(yīng)該對揀選對象的形狀、表面、光學(xué)、熱學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)等各方面的特征和生理機(jī)能進(jìn)行更加深入的研究，這樣才有利于檢測技術(shù)改進(jìn)，促使新的信息采集技術(shù)和傳感技術(shù)的產(chǎn)生。
草莓是一種營養(yǎng)豐富的高級水果，隨著人們生活水平的提高，草莓按其顏色、形狀及大小進(jìn)行揀選分類、包裝將成為趨勢。因此，草莓形狀的判別的研究和草莓揀選設(shè)備的開發(fā)具有很重要的現(xiàn)實意義。
1、草莓形狀的判別
收割后的草莓按其顏色、大小、形狀均可分為不同的等級。因此，草莓形狀的判斷是揀選者根據(jù)對標(biāo)準(zhǔn)草莓規(guī)格的理解和經(jīng)驗來判斷出結(jié)果。本設(shè)計中草莓形狀的識別部分采用了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的識別技術(shù)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有學(xué)習(xí)功能和很強(qiáng)的模式識別能力，即使當(dāng)局部網(wǎng)絡(luò)受損時，仍然能夠恢復(fù)原來信息。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的信息分布式存儲于聯(lián)結(jié)權(quán)值系數(shù)中，使網(wǎng)絡(luò)具有很高的容錯性，而圖像識別中往往存在噪聲干擾或輸入圖像的部分損失，因此，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以很好地解決圖像識別問題。另外，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自組織和自學(xué)習(xí)功能，使其對圖像問題的識別和處理較傳統(tǒng)圖象識別方法顯示出極大的優(yōu)越性。因此，草莓揀選設(shè)備只要通過對標(biāo)準(zhǔn)形狀草莓的學(xué)習(xí)就可得到非常接近人的判別效果。
為此，本論文提出了一種新的算法來解決草莓揀選的問題，該算法是基于圖像處理技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法而生成的一種草莓形狀判別算法。并利用該算法開發(fā)了草莓揀選設(shè)備。
2、草莓揀選設(shè)備的構(gòu)成
草莓揀選設(shè)備硬件系統(tǒng)組成如圖1所示。CCD攝像機(jī)將所要識別、解釋的對象以圖像的形式記錄下來；插入計算機(jī)內(nèi)部的圖像采集卡可以將攝像機(jī)采集的電信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，即圖像數(shù)字化，以便計算機(jī)對其進(jìn)行各種必要的處理；照明裝置為圖像采集提供合適的光源，以便對圖像進(jìn)行處理和分析。
3、草莓形狀圖像分割及特征提取
人工揀選草莓時很容易根據(jù)草莓果實部分的形狀特征來判別其等級，但對草莓揀選設(shè)備來說，草莓是任意放置在傳送帶上的，計算機(jī)采集到的草莓圖像其方位是不確定的。因此，本設(shè)計采用了彩色圖像處理技術(shù)。圖2中，（a)圖是圖像卡采集到的草莓圖像信號以RGB彩色模型顯示在監(jiān)視器上。它的R輝度圖像如圖(b)所示。想要得到草莓的形狀特征圖像，就要對采集到的草莓彩色圖像做以下處理：
第一步：把彩色圖像轉(zhuǎn)換成黑白的二值圖像，經(jīng)過濾波、填充、提取邊緣信號等處理后，最終得到整體輪廓線圖像（c）；
第二步：彩色圖像減去R輝度圖像產(chǎn)生目標(biāo)圖像(d)；
第三步：目標(biāo)圖像經(jīng)二值和邊緣提取處理后，得到了果實輪廓線圖像，如(e)所示；
第四步：最后把整體圖像輪廓線圖像和果實輪廓線圖像這兩種圖像進(jìn)行邏輯運算，然后得到曲線型草莓形狀特征圖像，如(f)所示。
4、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的判別
得到的草莓形狀特征可以用一組八參數(shù)來表示，要劃分A、B、C等級就需要控制兩個空氣驅(qū)動器。我們建立的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是基于BP算法的前向三層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，如圖3所示。選用了兩個結(jié)構(gòu)簡單的BP網(wǎng)絡(luò)，輸入為8，正好每個參數(shù)對應(yīng)一個輸入端單元；輸出為2，每個輸出單元控制一個空氣驅(qū)動器。在進(jìn)行前向多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)時，不斷調(diào)整隱層節(jié)點數(shù)，經(jīng)過試驗，采用8-4-2結(jié)構(gòu)。
5、軟件程序的功能
判別草莓形狀的系統(tǒng)軟件程序是實現(xiàn)草莓的揀選功能的關(guān)鍵。系統(tǒng)軟件在功能上劃分為訓(xùn)練部分和判斷部分。訓(xùn)練部分包括圖像處理、特征提取和網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練；判斷部分包括圖像處理、特征的提取和判斷以及草莓的移動控制。系統(tǒng)程序用MicrosoftC語言編寫，程序流程圖如圖4所示。
6、結(jié)語
本文通過計算機(jī)圖形處理技術(shù)、模式識別等理論的研究，結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行了草莓形狀判別的設(shè)計，在草莓形狀的有效特征提取和分類識別方面進(jìn)行了理論上的研究，提出了基于前向三層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和計算機(jī)圖像處理的一種能對草莓形狀進(jìn)行自動判別的新方法，為草莓的揀選機(jī)器人的開發(fā)提供了理論基礎(chǔ)。草莓揀選設(shè)備乃至其他水果揀選設(shè)備的開發(fā)對將要進(jìn)入老齡化社會的我國來說是很有意義的。
參考文獻(xiàn)
[1]王耀南,李樹濤,毛建旭.計算機(jī)圖像處理與識別技術(shù)[M].北京:高等教育出版社,2001.237～260
[2]曹其新,呂恬生,永田雅輝等.草莓揀選機(jī)器人的開發(fā)[J].上海交通大學(xué)學(xué)報,1999,33(7):880～884.
[3]王年,任彬,黃勇等.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的汽車車型圖象自動識別[J].中國圖象圖形學(xué)報1999,4(8):669～672.
[4]福利（Foley,J.D.）等著.計算機(jī)圖形學(xué)原理及實踐C語言描述[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002.6～36.
[5]徐麗娜.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)出版社,1999.4～34.
[6]田村秀行編著,金喜子,喬雙譯.計算機(jī)圖像處理[M].北京科學(xué)出版社,2004.86～115.
關(guān)鍵詞：電腦設(shè)計；設(shè)計藝術(shù)；藝術(shù)表現(xiàn)
1 電腦設(shè)計概述
電腦在藝術(shù)設(shè)計中的應(yīng)用，源起于電腦圖形技術(shù)在藝術(shù)設(shè)計領(lǐng)域的發(fā)展，電腦交互式圖形技術(shù)的原理和機(jī)制，提出了Computer Graphics（電腦圖形）這一概念，確立了電腦圖形學(xué)作為獨立學(xué)科的重要地位，奠定了電腦圖形技術(shù)發(fā)展的理論基礎(chǔ)并使其廣泛應(yīng)用。現(xiàn)今的電腦設(shè)計仍是以交互式電腦圖形技術(shù)為基礎(chǔ)繼續(xù)發(fā)展。雖然今天軟、硬件的水平都已交互提升到一個新的高峰，但顯示系統(tǒng)的發(fā)展仍是人機(jī)交流的主要介面，而未來電腦智能程度的發(fā)展將促成人機(jī)介面發(fā)生巨大的變化：一方面，更加高級的電腦將學(xué)習(xí)理解人類的動作、聲音，甚至表情，另一方面，視覺顯示將不再是人機(jī)交流的唯一通道。不過當(dāng)下，仍需要人們先去學(xué)習(xí)、理解電腦，然后才能用它進(jìn)行設(shè)計表現(xiàn)工作。
2 電腦設(shè)計的特性
電腦設(shè)計無需尺、規(guī)，卻能更加規(guī)范和精確；無需筆、墨卻能表達(dá)同樣的內(nèi)容。電腦使設(shè)計的概念和機(jī)器都有了完全不同的意義，由構(gòu)思至著手，由打稿、制作至完成、輸出，它們的形式和內(nèi)容都有了全新的變化。因此，電腦在當(dāng)今的藝術(shù)設(shè)計中發(fā)揮著極大地作用。電腦設(shè)計的特點體現(xiàn)在以下幾個方面：
（1）快速、高效且精度高。電腦設(shè)計取代手工的重要原因之一是高效快速。在競爭日趨激烈的設(shè)計行業(yè)，提高效率是保持競爭力的關(guān)鍵所在。據(jù)統(tǒng)計，電腦設(shè)計使設(shè)計周期縮短了三分之二至六分之五，工藝的設(shè)計周期縮短了五分之四至十分之九，效率平均也提高二至二十倍。電腦設(shè)計的另一特長是精度高。現(xiàn)行的高檔PC軟件的精度可達(dá)到小數(shù)點后的十幾位，可以畫一張等比例的世界地圖。
（2）豐富的色彩表現(xiàn)。硬件價格的降低使二十四位色易于被人們接受，它意味著一千六百多萬種顏色可供屏幕選擇，豐富性可想而知。
（3）演示便捷。電腦的通用性和真實感使使用者更多的參與其中，引導(dǎo)著使用者走進(jìn)一個虛擬的空間來欣賞設(shè)計者的作品。而使用者的廣泛參與又使設(shè)計這種社會化的工作變得更加社會化，電腦將最終促成藝術(shù)設(shè)計民主化理想的實現(xiàn)。
（4）保存方便修改快速。電腦設(shè)計能迅速完成對任何局部的修改，無需像徒手方式那樣從頭來做，可隨意復(fù)制而且保存方便，可在計算機(jī)上通過復(fù)制、鏡像、旋轉(zhuǎn)等命令反復(fù)尋求變化和組合方式，從而達(dá)到眾中挑一的效果，極大地降低了成本。
3 電腦設(shè)計在設(shè)計藝術(shù)中的定位
電腦技術(shù)只是一種表現(xiàn)手法，比傳統(tǒng)的手繪表現(xiàn)方式快、精、準(zhǔn)。所以，只有精通各類設(shè)計軟件的操作，才能更好更充分地表現(xiàn)藝術(shù)設(shè)計的需要。但有時部分人過于沉迷軟件的學(xué)習(xí)，忽視設(shè)計藝術(shù)的創(chuàng)意，這顯然有悖于專業(yè)人士所為。舉個例子，社會上有些人一味追求電腦美術(shù)設(shè)計技術(shù)的操作，甚至純粹就以操作美術(shù)設(shè)計軟件為生，認(rèn)為會幾個設(shè)計軟件就是會了藝術(shù)設(shè)計，所做作品，體現(xiàn)不出藝術(shù)性，更缺乏新的創(chuàng)意。亦沒有表現(xiàn)出自己的獨特個性與想法，沒有想法，沒有創(chuàng)意，忽視設(shè)計的基本原則，未曾意識到創(chuàng)意是藝術(shù)設(shè)計的靈魂，以為電腦什么圖都能做出來。所以在現(xiàn)代藝術(shù)設(shè)計中，我們要強(qiáng)調(diào)電腦設(shè)計軟件只是工具，無論它有多少功能、有多么先進(jìn)，但它沒有文化內(nèi)涵、沒有思維，如果沒有藝術(shù)素養(yǎng)和創(chuàng)作激情，多么神奇的各種功能也代替不了作為審美主體的人腦，設(shè)計者的設(shè)計水平?jīng)Q定著設(shè)計的藝術(shù)效果。Photoshop也好，3DMax也好，一把錘子也好，一支筆也好，在不同的設(shè)計師手中起著不同的作用，它們僅是進(jìn)行藝術(shù)創(chuàng)作的工具，是設(shè)計者駕馭電腦軟件，而不是設(shè)計軟件駕馭設(shè)計者。
4 電腦設(shè)計離不開手繪表現(xiàn)
在電腦設(shè)計中用軟件進(jìn)行草圖創(chuàng)意時往往不如用手繪來得快且生動。因為草圖設(shè)計是表達(dá)創(chuàng)意構(gòu)思的過程，所以在電腦設(shè)計的構(gòu)思、構(gòu)圖設(shè)計階段，應(yīng)該多思考，多用手去勾畫，待草圖確定以后，再啟動電腦設(shè)計軟件對圖形、圖像進(jìn)行處理。在軟件運行處理的過程中，有時又會出現(xiàn)草圖設(shè)計時意想不到的效果，也會啟發(fā)設(shè)計者的思維，有利于創(chuàng)造出更好的藝術(shù)設(shè)計作品。因此作為一個現(xiàn)代藝術(shù)設(shè)計師更要加深自己的藝術(shù)修養(yǎng)，提高自己的手繪表現(xiàn)能力。
5 結(jié)語
設(shè)計藝術(shù)無論在觀念上、功能上、還是在語意和形式表現(xiàn)上，都受到各類文化思潮和藝術(shù)風(fēng)格的影響?，F(xiàn)代電腦設(shè)計作為設(shè)計藝術(shù)中的主要組成部分，經(jīng)歷了從工業(yè)化社會到信息化社會的轉(zhuǎn)變。從發(fā)展趨勢上來看，電腦設(shè)計將逐漸更深地融入到現(xiàn)代設(shè)計藝術(shù)的潮流當(dāng)中，對藝術(shù)與設(shè)計的影響和參與越來越深入，藝術(shù)與科學(xué)一并作用于我們的生活，亦可說藝術(shù)與科學(xué)的界限越來越模糊，這或許是一種無法回避的現(xiàn)實。在現(xiàn)代設(shè)計多元化發(fā)展的大趨勢下，電腦設(shè)計的介入使設(shè)計新觀念、新思維不斷形成，以往貫穿于設(shè)計藝術(shù)中的法則正逐漸被打破，現(xiàn)代設(shè)計藝術(shù)的發(fā)展形成了新的需求。人們對于設(shè)計藝術(shù)的態(tài)度己經(jīng)不再是基本功能、屬性上的滿足，而更多的是希望其能夠標(biāo)新立異，并更加個性化，信息化，更加關(guān)注新的形式語言的構(gòu)建，滿足個人心理層面上的需要，使電腦設(shè)計與設(shè)計藝術(shù)更好的融合統(tǒng)一于藝術(shù)創(chuàng)作始終。
參考文獻(xiàn)：
[1] 潘文祥.電腦設(shè)計的應(yīng)用[J].山東輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報，2000，14（1）.
關(guān)鍵詞：全景圖 虛擬現(xiàn)實 圖像拼接 導(dǎo)航
中圖分類號：TP391.41 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2012）09-0057-02
1、引言
近年來，隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用內(nèi)容也日趨復(fù)雜化。特別是網(wǎng)絡(luò)圖形技術(shù)的發(fā)展，對具有真實感強(qiáng)的實時虛擬場景繪制方法提出了更高的要求。因而急需在現(xiàn)有計算機(jī)平臺下研究一種有效的圖形繪制算法以進(jìn)一步加速對復(fù)雜場景模型的繪制，然而算法的繪制速度、對象的生成質(zhì)量及場景復(fù)雜度之間的矛盾，己成為計算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域一個重要的課題。
虛擬場景的繪制是虛擬漫游系統(tǒng)的關(guān)鍵，依據(jù)不同的場景建模方法，目前主要分為基于圖形繪制（GBR）和基于圖像繪制（IBR）兩種方法。IBR方法與GBR相比具有以下特點：（1）以圖片代替3D建模，虛擬場景生成速度快，開發(fā)周期短。（2）場景逼真，給人以身臨其境的視覺滿足感，可達(dá)到照片級的真實感。（3）數(shù)據(jù)量小，適合網(wǎng)絡(luò)傳輸，且視圖生成算法計算量小，能夠在一般PC機(jī)上實時繪制完成。
2、全景圖技術(shù)
全景（Panorama）技術(shù)是目前迅速發(fā)展的一門視覺新技術(shù)，它可以拓展圖片的分辨率和實現(xiàn)信息壓縮，目前已廣泛應(yīng)用于宇宙空間探測、醫(yī)學(xué)圖像處理、海底勘探等社會領(lǐng)域。全景圖可通過多種途徑獲取，目前多采用圖像拼接的方法得到。虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，簡稱VR）系統(tǒng)又可稱為靈境技術(shù)，它可提供一種模擬仿真的互動環(huán)境。對于任何一個虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，主要有以下三大特性。（1）沉浸性。（2）交互性。（3）多感知性。
2.1 基于圖像的圖形繪制技術(shù)（IBR技術(shù)）
它采用真實的場景圖片作為輸入，并通過圖像處理技術(shù)對全景圖像進(jìn)行反投影、插值等運算來繪制虛擬場景。其與傳統(tǒng)的基于圖形繪制的方法思路完全不同，不再需要繁瑣的幾何建模，直接由己知場景圖像合成新視圖。
基于IBR的方法較傳統(tǒng)的基于圖形繪制的方法，有著以下優(yōu)勢：（1）場景真實，沉浸感強(qiáng)。（2）建模簡單快速。（3）數(shù)據(jù)量小，實時性好。
2.2 立方體全景圖技術(shù)
立方體全景圖可實現(xiàn)360度無視覺死角漫游。視平面與立方體全景圖的幾何關(guān)系如圖1所示。
通常可以由兩種方法來生成立方體全景圖：第一種是用拼接軟件的方法對采集的圖像進(jìn)行無縫拼接，并采用立方體投影模型來生成具有6個面的立方體全景。第二種方法是用數(shù)碼相機(jī)嚴(yán)格標(biāo)定相機(jī)的位置，使用90度的廣角鏡頭在上下，前后，左右6個方向依次各拍攝一張照片，并將獲取的照片無縫拼接成立方體全景圖。
2.3 全景圖的生成
基于圖像的繪制（IBR）是通過寬視角圖像、360°全角度具有三維立體圖像對現(xiàn)實中的景象進(jìn)行建模展示，根據(jù)多個靜態(tài)的圖像進(jìn)行合理的組合來展現(xiàn)實際場地的一種連續(xù)查看。隨著計算機(jī)技術(shù)水平的快速發(fā)展，為圖像的計算機(jī)處理提供了更為先進(jìn)的數(shù)字處理方法，我們利用多個現(xiàn)場圖像的拼接，通過數(shù)字技術(shù)實現(xiàn)對其各個拼接點和接觸點進(jìn)行編輯；也可以對每個節(jié)點進(jìn)行不用角度的和遠(yuǎn)近距離的查看等操作。這種根據(jù)多個圖像拼接來實現(xiàn)整個場景的展示過程如2圖所示：
3、虛擬實景空間系統(tǒng)分析設(shè)計
虛擬實景即將現(xiàn)實中的場景通過現(xiàn)有虛擬技術(shù)進(jìn)行表現(xiàn)，由于技術(shù)實現(xiàn)復(fù)雜度高等條件限制，提出了基于實時序列普通圖像采集數(shù)據(jù)，運用IBR全景技術(shù)，將圖像數(shù)據(jù)生成可靠性高，真實度高的虛擬環(huán)境的全景圖。
虛擬實景空間的數(shù)據(jù)采集來自于真實的場景照片、圍繞人機(jī)交互操作這個核心，比傳統(tǒng)的虛擬技術(shù)在真實性、人機(jī)交互等方面有很大的優(yōu)勢，其主要特點體現(xiàn)在以下幾點：
（1）原始數(shù)據(jù)真實性。基于建模的虛擬空間是實景是通過3D幾何模型實現(xiàn)，而虛擬實景空間構(gòu)造使用的是實景圖像。 （2）空間。虛擬空間是虛擬場景和視點之間的關(guān)系，虛擬實景空間系統(tǒng)是以圖片采集點W（X，Y，Z）為唯一視點，在該視點觀察者可以進(jìn)行360°×180°查看空間場景的基本元素，在場景的所表達(dá)出的所有時空信息則是真實有效的。（3）虛擬。虛擬是指在圖片采集技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過計算機(jī)技術(shù)，將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成直觀、易于操作和管理的真實、有效、完整的虛擬數(shù)據(jù)，可以真切模擬現(xiàn)實場景的信息。（4）交互。虛擬實景技術(shù)是基于易于交互和操作的基礎(chǔ)發(fā)展起來的，交互性是關(guān)鍵所在，由于現(xiàn)有全景技術(shù)的技術(shù)所限，交互的可控自由度十分有限，但理論上空間操縱的自由度仍有很大的空間可以提升。
4、全景圖自動拼接系統(tǒng)實現(xiàn)
全景圖的實現(xiàn)是經(jīng)過對圖片一系列的處理，如拍攝、拼接、融合等一些關(guān)鍵步驟，從而形成一副從視覺上觀察是一副完整并且連續(xù)的一系列圖像的有機(jī)、有序的組合。
將拍攝得到的圖片分組拼接時，每組圖像都沒有一個固定合理的排列順序，這些圖片中包含了構(gòu)成全景圖的部分子集圖像和不屬于全景圖像子集的噪聲圖像。而漫游系統(tǒng)中全景圖是自動生成的。
系統(tǒng)實現(xiàn)。下圖為對某景點全景圖的虛擬漫游的實現(xiàn)，圖3，圖4為對景點的拼接后的全景圖。
上圖中，左上角是系統(tǒng)的導(dǎo)航系統(tǒng)，用戶可以根據(jù)自己的需要選擇其他景點。根據(jù)選擇景點的不同，系統(tǒng)所呈現(xiàn)的景點信息也會隨之發(fā)生不同變化。用戶通過鼠標(biāo)可以直接定位感興趣的范圍，然后通過鍵盤上的上、下、左、右鍵選擇去向，也可以選擇全屏觀看，對全景圖像進(jìn)行旋轉(zhuǎn)等功能，大大提高了系統(tǒng)的靈活度。
5、結(jié)語
本論文運用圖像拼接、圖像融合理論，編程實現(xiàn)全景圖的拼接及融合過程，結(jié)合虛擬漫游技術(shù)實現(xiàn)了虛擬場景漫游及導(dǎo)航、半視點360×360度無視覺死角瀏覽、全方位地漫游整個景點區(qū)域場景的功能；也方便地實現(xiàn)全景圖的漫游、實景展示的功能，使用戶體驗更加真實有效。
實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)在全景圖的漫游及導(dǎo)航功能在效率和精確度方面都有良好的可用性。系統(tǒng)的實現(xiàn)，為旅游業(yè)的發(fā)展提供了有力支持。
參考文獻(xiàn)
[1]王娟，師軍，吳憲祥.圖像拼接技術(shù)綜述.計算機(jī)應(yīng)用研究.2008，26（07）：1940-1943.
[2]Jungpil Shin，Yu Tang.Deghosting for Image Stitching with Automatic Content-Awareness.Pattern Recognition.2010，23（26）：26-27.
[3]趙亮.柱面全景圖全自動拼接系統(tǒng)研究與實現(xiàn)：（碩士學(xué)位論文）.北京：北京化工大學(xué)，2009.
關(guān)鍵詞：
中圖分類號： TP391．9 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號：2095－2163（2011）03－0031－05
A Study on Application of 3D Visualization Technology in Digital Forestry
WU Wenjin， WANG Nihong
Abstract： Three-dimensional (3D) visualization of Digital Forestry is a hot topic in the field of forestry and computer graphics. From simple 3D modeling of trees to aid rationalization of forest spatial structure, refreshingly different forest trade conception and production management mode are provided by 3D visualization technology. The six kinds of application situation of 3D visualization technology in the digital forestry, namely tree model, virtual forest type map, growth model, forestry fire simulation, pest and disease monitoring, forest spatial structure are summarized, and the important role of 3D visualization technology in forestry production, operation, management, decision-making and so on are analyzed in this article. There are large amount of information, wide range and complex relationship in forest resource, so furthering research on 3D visualization of forest resource are also needed.
Key words：
0 引言
美國前副總統(tǒng)戈爾在1998年1月提出“數(shù)字地球即一種可以嵌入海量地理數(shù)據(jù)的多分辨率和三維的地球的表示，可以在其上添加許多與所處的星球有關(guān)的數(shù)據(jù)”，近年來隨之興起了“數(shù)字中國”、“數(shù)字城市”、“數(shù)字校園”等概念。“數(shù)字林業(yè)”是國家林業(yè)局在2001年提出的，這是“數(shù)字化”理念在林業(yè)方面的應(yīng)用，其概念被明確為“系統(tǒng)地獲取、融合、分析和應(yīng)用數(shù)字信息來支持可持續(xù)森林經(jīng)營管理的科學(xué)、技術(shù)和藝術(shù)”[1]。
三維可視化技術(shù)是使用計算機(jī)圖形學(xué)圖像處理技術(shù)為基礎(chǔ)，將地球表面某一地域的數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換為三維圖形或圖像的形式在屏幕上顯示出來，并進(jìn)行交互式處理的一種新技術(shù)。目前， “數(shù)字林業(yè)”的三維可視化是林學(xué)和計算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域研究的一個熱點，從簡單的林木三維建模到輔助進(jìn)行的林分空間結(jié)構(gòu)合理化，三維可視化技術(shù)都提供了一種全新的森林生產(chǎn)經(jīng)營理念和方式，這對未來的森林管理與決策起著至關(guān)重要的作用[2]。
下面介紹三維可視化技術(shù)在數(shù)字林業(yè)中的應(yīng)用領(lǐng)域。
1 樹木模型三維可視化
樹木的三維可視化是指利用科學(xué)的計算方法，將自然界中千變?nèi)f化的樹木形態(tài)轉(zhuǎn)換為直觀的幾何圖形，并將描述其生理結(jié)構(gòu)、生長過程的復(fù)雜數(shù)據(jù)在計算機(jī)中進(jìn)行直接的計算和模擬，即將樹木結(jié)構(gòu)的描述方法與幾何參數(shù)反演成具體的林木空間形態(tài)，在此過程中可以采用光照、紋理、渲染等手段對林木圖像進(jìn)行繪制。準(zhǔn)確而逼真地實現(xiàn)樹木形態(tài)的三維虛擬顯示是三維可視化技術(shù)在數(shù)字林業(yè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)。結(jié)合森林空間結(jié)構(gòu)特征信息，可為研究樹木生長趨勢和木材的收獲評價等森林經(jīng)營決策提供可視化的、精準(zhǔn)的決策標(biāo)準(zhǔn)。
由于樹木形態(tài)復(fù)雜，所以對模擬技術(shù)和系統(tǒng)開銷有較高的要求， 而且樹木生長具有生理確定性和長勢不確定性的雙重特性，至今，樹木三維可視化還沒有得到一個完善的具有林業(yè)研究意義的三維模型。為此，眾多大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)的學(xué)者們對這個問題提出了自己的見解并進(jìn)行了嘗試[3]。
李慶忠等提出了一種L系統(tǒng)與IFS相互融合的植物形態(tài)模擬新方法，既能通過 L系統(tǒng)模擬出植物的隨機(jī)生長的規(guī)律和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，又可以利用IFS 來模擬植物各基本組成部分的自相似性和豐富的紋理、質(zhì)地特性，得到比較自然和具有真實感的植物模擬效果[4]。郝衛(wèi)亮等運用遞歸調(diào)用分形自相似結(jié)構(gòu)的方法構(gòu)造了樹木的三維模型，采用分枝結(jié)構(gòu)的隨機(jī)抖動與雙緩沖技術(shù)，既解決了模型的真實感，又解決了實現(xiàn)速度問題，簡潔高效，具有普遍應(yīng)用性，而且能生成形象逼真的樹木圖形[5]。張佳佳等基于樹木的形態(tài)結(jié)構(gòu)特征，使用分形迭代系統(tǒng)構(gòu)建樹木的整體結(jié)構(gòu)形態(tài)，并用參數(shù)化曲線模擬樹木枝條的自然彎曲狀態(tài)以及在彎曲過程中枝條半徑的變化，實現(xiàn)了樹木形態(tài)結(jié)構(gòu)的三維可視化[6]。呂夢雅等將閾值分析法與改進(jìn)的種子點區(qū)域增長算法相結(jié)合，引入起飛著陸算法，實現(xiàn)了枝干結(jié)點的自動匹配，并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)了基于手持相機(jī)雙視點圖像的樹干三維重建系統(tǒng)[7]。向南平等利用GIS的組件ArcObjects提供的Scene viewer Control控件，在單株樹木的三維可視化模型基礎(chǔ)上應(yīng)用 GIS數(shù)據(jù)，得到實時森林景觀三維模擬系統(tǒng)[8]。Pradal等在Python程序語言基礎(chǔ)上設(shè)計了一個用來創(chuàng)建、模擬和分析3D虛擬植物的開源圖形工具包――PlantGL，提供了一套表示不同規(guī)模植物結(jié)構(gòu)的幾何模型[9]。
林分的可視化是基于林木三維可視化的，目前主要有3種模式：基于規(guī)則幾何體的模型、基于樹的三維造型、使用樹木模型和軟件集成的方法實現(xiàn)林分三維可視化。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展， 逐漸出現(xiàn)了各種林分可視化系統(tǒng)?？梢暬到y(tǒng)不僅可以反映林木的基本空間結(jié)構(gòu)，也可實現(xiàn)動態(tài)漫游， 讓參與者有身臨其境的真實感受。
2 虛擬林相圖三維可視化
隨著計算機(jī)圖形學(xué)、虛擬現(xiàn)實及三維仿真技術(shù)的飛速發(fā)展，林相圖的制作經(jīng)歷了二維林相圖、數(shù)字林相圖、虛擬三維林相圖三個發(fā)展階段。
傳統(tǒng)的林相圖制圖、成圖周期長、精度低、投入高、比例尺固定、成果單一、資料難以保存；小班數(shù)據(jù)庫資料和圖面材料分離，無論今后森林資源數(shù)據(jù)如何變化，圖面資料都不會隨之變動；信息量不足，真實感差，實用性不強(qiáng)[10]。而虛擬林相圖能夠直觀、準(zhǔn)確、交互地在計算機(jī)上模擬大面積森林所在的地形、樹種組成、樹高、起源、分布等信息。因其有機(jī)地結(jié)合了二維林相圖的宏觀性、整體性、簡潔性和三維虛擬場景的局部性、真實性的優(yōu)點，同時又克服了二維林相圖的三維信息缺乏和三維虛擬林相場景漫游的方向迷失感，所以真正做到了兩者的優(yōu)勢互補(bǔ)[11]。
虛擬林相的最大特點是直觀性，以活立木的形式來表現(xiàn)林相信息，可以為數(shù)字林業(yè)提供信息，又能為森林旅游提供宣傳工具。Lim等使用虛擬現(xiàn)實模擬語言（VRML）開發(fā)了一個森林景觀可視化系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)漫游仿真和三維圖像渲染，從而輔助森林管理經(jīng)營進(jìn)行正確地決策[12]。2003年，羅傳文以上甘嶺林業(yè)局為研究對象，制作了包括三維圖像顯示、屬性數(shù)據(jù)處理和導(dǎo)航三部分組成的虛擬林相圖[13]。2006年，曲林以一個三維虛擬林相程序TERRAIN的制作過程為例，介紹Visual C＋＋開發(fā)平臺上基于OpenGL圖形庫的三維虛擬林相圖制作方法。董斌等以北京市妙峰山林場為例介紹了數(shù)字三維林相圖的構(gòu)件技術(shù)。通過不同顏色表達(dá)不同樹種的分布，克服了紙質(zhì)林相圖樹種分布不直觀、界限不明顯的缺點，實現(xiàn)了森林的規(guī)劃設(shè)計、撫育、更新和管理的可視化[10]。盧雙珍等利用數(shù)字高程模型以及ArcView、ArcMap、ERDAS等軟件，進(jìn)行三維林相圖的制作研究，實現(xiàn)了從二維林相圖向三維林相圖的跨越[14]。孫海洪等實現(xiàn)了三維虛擬林相的顯示、放大縮小和漫游等功能，為林業(yè)規(guī)劃顯示系統(tǒng)的開發(fā)提供模塊和技術(shù)支持[15]。
基于地理信息系統(tǒng)技術(shù)構(gòu)建數(shù)字三維林相圖是未來林業(yè)制圖的重要發(fā)展方向之一。利用數(shù)字三維林相圖可以直觀地查詢小班的林種分布、樹種結(jié)構(gòu)、面積、土壤、坡度、坡向、土壤厚度、土壤質(zhì)地等，可以非常容易地實現(xiàn)森林的規(guī)劃設(shè)計、撫育、間伐、更新和管理。隨著計算機(jī)軟硬件技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字三維虛擬林相圖的構(gòu)建過程會越來越簡單，從而使這項技術(shù)從理論走向?qū)嵺`，真正實現(xiàn)林業(yè)的數(shù)字化、定量化、可視化、網(wǎng)絡(luò)化和信息化。
3 生長模型三維可視化
三維可視化生長模型是通過對樹木構(gòu)筑型和林分生長模型的研究，基于木本植物的生理特征與計算機(jī)的高速運算功能，模擬真實樹木在自然環(huán)境中的生長過程，并在以往研究數(shù)據(jù)與經(jīng)驗基礎(chǔ)上，對當(dāng)前林業(yè)實踐進(jìn)行準(zhǔn)確指導(dǎo)、評價、預(yù)測的計算機(jī)三維模型[16]。
研究森林生長規(guī)律，指導(dǎo)森林經(jīng)營活動，是林業(yè)研究的一個重要方面。隨著數(shù)學(xué)模型和計算機(jī)模擬技術(shù)的發(fā)展，使樹木生長得到更好的模擬。學(xué)者們對樹木枝條的生理特性和空間分布狀態(tài)的研究更加細(xì)化，使樹木模擬研究逐漸向定量化和動態(tài)化發(fā)展[17]。
實現(xiàn)林木生長的三維重現(xiàn)，便于對樹木生長進(jìn)行科學(xué)有效的表達(dá)。許煒敏等以VS2005為平臺，采用VB．NET語言，利用ArcEngine的一系列應(yīng)用接口和控件，結(jié)合林場小班圖層、立地因子、數(shù)字高程模型（DEM）、不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）、遙感影像等數(shù)據(jù)，根據(jù)不同立地條件貢獻(xiàn)值以及林齡進(jìn)行蓄積量計算，實現(xiàn)了基于ArcScene的杉木林蓄積量可視化表達(dá)，動態(tài)演示了杉木林依據(jù)立地因子和生長模型的蓄積量生長分布過程[18]。蘆海濤等以水曲柳為例，采用逐步回歸的技術(shù)建立水曲柳單木生長模型，為水曲柳的生長和經(jīng)營提供參考和依據(jù)[19]。李忠國等在分析我國暖溫帶中山區(qū)和北亞熱帶高山區(qū)日本落葉松生長情況的同時，在模型中加入了代表區(qū)域特征的啞變量來建立日本落葉松人工林生長模型，為科學(xué)經(jīng)營奠定了基礎(chǔ)[20]。
林分生長模型是根據(jù)已知的林分初始信息及環(huán)境因素計算出林分生長過程中的各種參數(shù)或數(shù)據(jù)。根據(jù)林分生長模型來指導(dǎo)營林生產(chǎn)已成為林業(yè)集約經(jīng)營的一項重要技術(shù)。景向欣通過實測數(shù)據(jù)結(jié)合樹木生長的生物學(xué)特性、枝條生長模型、節(jié)子（死枝）預(yù)測模型、葉量預(yù)測模型建立了樹木動態(tài)三維可視化模型系統(tǒng)，有助于經(jīng)營者選擇有效的經(jīng)營措施[21]。向瑋等以落葉松云冷杉林為對象，建立分樹種的矩陣模型，并模擬不同采伐方案對木材生產(chǎn)、樹種和林分結(jié)構(gòu)多樣性及碳貯量的綜合影響，為多目標(biāo)森林經(jīng)營決策提供方法和依據(jù)[22]。
4 林火模擬三維可視化
森林火災(zāi)是森林經(jīng)營中最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一，與普通的火災(zāi)相比，具有突發(fā)性強(qiáng)、難以控制、恢復(fù)期長等特點，同時林火的燃燒與地形、風(fēng)向等環(huán)境因素關(guān)系密切。一旦發(fā)生，極易形成高強(qiáng)度的樹冠火和地表火，嚴(yán)重危害森林資源、環(huán)境和撲火人員生命安全，不僅會造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，而且會對生態(tài)系統(tǒng)和氣候造成不可忽視的影響。隨著計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，尤其是計算機(jī)圖形和虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展，使得三維表達(dá)真實感事物成為可能。利用三維真實感圖形表達(dá)不僅能實時顯示受災(zāi)面積、火勢蔓延的方向、火勢大小，而且能給人以真實的感覺和可視化的畫面[23]。
林火蔓延是一個多相、多組分可燃物在各種氣象條件（溫度、濕度、風(fēng)向、風(fēng)力等）和地形影響下燃燒和運動的極其復(fù)雜的現(xiàn)象。林火蔓延模型是指在各種條件簡化的條件下，對其進(jìn)行數(shù)學(xué)上的處理，從而導(dǎo)出林火行為與可燃物的性質(zhì)、氣象因素、地形因素等參數(shù)間的定量關(guān)系式。利用這個模型來預(yù)測將要發(fā)生或正在發(fā)生的林火行為，指導(dǎo)日常的林火管理和突發(fā)的森林火災(zāi)等工作，從而使林火能以最少的人力、物力及在最短的時間內(nèi)撲滅[24]。如何建立恰當(dāng)?shù)幕鹧婺Ｐ?，生成具有真實感的火焰效果，一直是計算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域的研究熱點。自從1946年Fons首先提出林火蔓延的數(shù)學(xué)模型以來，世界上出現(xiàn)了許多防火模型，其中，以Rothermel模型最成熟，運用最廣泛。
虛擬的林火蔓延模型包括對林火造型的三維模擬、對林火的蔓延過程進(jìn)行模擬以及林火與其它環(huán)境因素進(jìn)行交互的三維模擬等方面內(nèi)容。具有代表性的林火造型模擬技術(shù)有粒子系統(tǒng)、紋理合成及基于物理的模擬等 3種技術(shù)。黃華國等在分析林火蔓延的現(xiàn)有模型的基礎(chǔ)上，整合數(shù)字高程模型、氣象因子、樹種因子的三維曲面元胞自動機(jī)模型，設(shè)計數(shù)據(jù)提取、加工、應(yīng)用框架，開發(fā)出能夠進(jìn)行林火蔓延三維模擬的軟件系統(tǒng)[25]。李建微等在構(gòu)建大場景虛擬森林景觀的基礎(chǔ)上，以福建漳浦林區(qū)為實驗區(qū)，采用Rothermel模型和Huygen原理，以改進(jìn)的粒子系統(tǒng)方法，對在不同的風(fēng)速和坡度下的林火進(jìn)行三維模擬。該模型能夠仿真在火場不同位置的林火擴(kuò)散行為，既能實時地顯示受災(zāi)的面積、火勢蔓延的方向、火勢大小，且能給人以真實感[23]。姚林強(qiáng)在分析近幾年來國內(nèi)外對火焰模擬技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上，充分考慮林火自身的燃燒機(jī)理和造型特征，提出一種基于變形的粒子系統(tǒng)模型，以滿足林火仿真在實時快速、真實感等方而的需要[26]。張超基于Rothermel林火蔓延模型，利用Huygen原理模擬火災(zāi)現(xiàn)場，結(jié)合三維GIS平臺，實現(xiàn)林火行為的三維可視化。該模型能夠準(zhǔn)確反映不同位置的風(fēng)速、坡度及其他因素的影響，使臨場決策人員能夠更加快速、形象地獲取火場參數(shù)，從而提高滅火的效率[24]。Hoang等提出了一個沉浸式火災(zāi)模擬和可視化系統(tǒng)VFire，將用戶置身于虛擬環(huán)境中，使其在各種條件下模擬實時火災(zāi)，并通過采取措施進(jìn)行火災(zāi)撲救工作[27]。Parsons等提出一個新的模型FUEL3D，合并管道模型理論（PMT）和簡單的三維遞歸分支方法來模擬樹冠火，連接詳細(xì)的可燃物模型和詳細(xì)的火災(zāi)模型，并與傳統(tǒng)的可燃物和火災(zāi)模型進(jìn)行對比，從而提出火災(zāi)行為建模和生態(tài)意義[28]。Castrillón等提出基于3D虛擬環(huán)境的火災(zāi)預(yù)測應(yīng)用程序和火災(zāi)模擬引擎，允許幾個用戶同時連接的遠(yuǎn)程模塊，根據(jù)天氣和風(fēng)力數(shù)據(jù)同時整合地形空間信息和植被類型來模擬和可視化地面火災(zāi)的蔓延過程，來監(jiān)測真實火災(zāi)事件[29]。
隨著計算機(jī)技術(shù)和地理信息系統(tǒng)技術(shù)在林業(yè)中的應(yīng)用，結(jié)合三維可視化模擬技術(shù)可以建立不同的林火蔓延預(yù)測模擬和分析管理信息系統(tǒng)，使用可視化的方式可呈現(xiàn)林火燃燒和蔓延過程、危害范圍和火警預(yù)測，為防災(zāi)、減災(zāi)提供決策工具。
5 病蟲害監(jiān)測三維可視化
森林病蟲害是指造成森林植物生長發(fā)育不良或死亡的病害和蟲害，其傳播途徑廣、蔓延速度快、防治難度大、治理成本高， 至今尚未找到經(jīng)濟(jì)有效的根治方法，對森林、生態(tài)、社會等方面造成了巨大的損失。中國是受森林病蟲害嚴(yán)重危害的國家之一，年均受災(zāi)面積是年均火災(zāi)面積的214倍，于是又稱為“不冒煙的森林火災(zāi)”。根據(jù)不完全統(tǒng)計，森林病蟲害的種類約有8 000多種，其中經(jīng)常對森林產(chǎn)生嚴(yán)重危害的就有200多種。因此，為了實現(xiàn)林業(yè)資源經(jīng)營和發(fā)展的可持續(xù)化，人類需要對森林病蟲害進(jìn)行真實有效的預(yù)測。
傳統(tǒng)的病蟲害監(jiān)測常采用隨機(jī)模型、過程模型以及鄰域規(guī)則模型，其時效性差，不能進(jìn)行大范圍的動態(tài)監(jiān)測，更無法進(jìn)行災(zāi)害擴(kuò)散的空間預(yù)測。隨著3S技術(shù)、三維可視化技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的監(jiān)測手段得到了擴(kuò)充，使得測報由傳統(tǒng)的時間尺度上升到空間尺度[30]。例如，某地區(qū)受到病蟲的侵害，在數(shù)字地形模型（DTM）或數(shù)字高程模型（DEM）上疊加遙感影像圖和道路、河流、居民點等輔助信息，就可以模擬該區(qū)域的真實地形和場景，使相關(guān)研究人員能夠更詳細(xì)地掌握受災(zāi)區(qū)的實際情況。此外，某些軟件中有模擬飛行的功能，使相關(guān)研究人員可以進(jìn)行非實地的地理勘察和動態(tài)觀測，從而使其有一種身臨其境的直觀感覺[31]。
唐瑋嘉等設(shè)計出適合云南省松材線蟲病管理和預(yù)警的應(yīng)用軟件，探索出一條能夠比較容易被廣大林業(yè)技術(shù)人員接受和使用的松材線蟲病調(diào)查、管理和預(yù)測預(yù)警的新思路， 從而提高云南省松材線蟲病管理的科技含量和決策水平，對于線蟲病的有效監(jiān)測及預(yù)警具有重大意義，并且有助于決策部門及時制定預(yù)防措施和防治措施[32]。未來的森林病蟲害監(jiān)測應(yīng)該朝著多元化的方向發(fā)展，即在自身預(yù)防、治理等傳統(tǒng)理論作為基礎(chǔ)的前提下，運用空間信息技術(shù)，建立生物學(xué)、生態(tài)學(xué)、病理學(xué)、昆蟲學(xué)等各相關(guān)領(lǐng)域的專家系統(tǒng)，最終形成一個完善、科學(xué)的監(jiān)測系統(tǒng)，進(jìn)而對生產(chǎn)實踐進(jìn)行指導(dǎo)。
6 森林空間結(jié)構(gòu)三維可視化
目前的森林可視化與空間結(jié)構(gòu)研究是相對獨立進(jìn)行的，表現(xiàn)在：一方面，森林可視化研究側(cè)重于如何逼真地實現(xiàn)森林的三維虛擬顯示，但很少引入基于樹木坐標(biāo)的空間結(jié)構(gòu)指數(shù)進(jìn)行空間結(jié)構(gòu)分析，因此只可見森林，不知其空間結(jié)構(gòu)特征，對森林經(jīng)營輔助決策意義不大；另一方面，空間結(jié)構(gòu)研究側(cè)重于描述森林的空間結(jié)構(gòu)狀況或進(jìn)行不同指數(shù)的比較，缺乏給森林經(jīng)營者提供直觀的信息。森林可視化固然可以直觀再現(xiàn)森林，但森林經(jīng)營者往往還需要掌握森林空間結(jié)構(gòu)信息，因為這兩方面信息對森林經(jīng)營決策至關(guān)重要[33]。
森林的空間結(jié)構(gòu)反映了森林內(nèi)物種的空間關(guān)系，即林木在水平地面上的分布格局及其屬性在空間上的排列方式；決定著林分中光、溫的分布以及氣體運動，對林木生長和經(jīng)營的可能性等都有著重要的影響。因此，森林空間結(jié)構(gòu)是森林經(jīng)營的基礎(chǔ)，在森林恢復(fù)與重建、結(jié)構(gòu)與功能調(diào)控中具有重要意義。
森林空間結(jié)構(gòu)主要包括：空間分布格局、競爭、混交三個方面。其中，三維可視化技術(shù)的應(yīng)用主要就在空間分布格局方面，即在計算機(jī)上實現(xiàn)林分生長的視覺化、圖形化和立體化，實現(xiàn)數(shù)字林木和數(shù)字森林。三維可視化這個強(qiáng)大的工具不但作為恢復(fù)和管理的視覺參考點，而且作為一個了解過去、現(xiàn)在和未來森林景觀狀態(tài)變化的輔助措施。Stoltman等使用3DNature軟件將威斯康星洲的預(yù)結(jié)算森林進(jìn)行可視化，將其與目前的森林狀況進(jìn)行對比，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)存在的一些變化[34]。Tyrv?]inen等考察了兩種潛在的改進(jìn)協(xié)作城市森林規(guī)劃與設(shè)計的方法，包括基于計算機(jī)的可視化方法和示范森林與景觀實驗室，通過研究發(fā)現(xiàn)這兩種方法的應(yīng)用會實現(xiàn)森林規(guī)劃和設(shè)計的重大改進(jìn)[35]。森林資源管理規(guī)劃必須解決生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會可持續(xù)所關(guān)注的問題。Falc?bo等將決策支持工具與計算機(jī)可視化技術(shù)相結(jié)合，提出了森林景觀動態(tài)模擬的可視化工具，能提供有效的實時導(dǎo)航能力，從而評估景觀水平的森林管理的影響[36]。通過分析多種經(jīng)營行為對林分空間結(jié)構(gòu)、種群密度、競爭態(tài)勢、林木更新所產(chǎn)生的影響，能促進(jìn)工作人員調(diào)節(jié)經(jīng)營方案，選擇合理的經(jīng)營措施，從而實現(xiàn)科學(xué)合理的經(jīng)營管理[37]。
對基于空間結(jié)構(gòu)的經(jīng)營方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，是數(shù)字林業(yè)研究的一個重要方向。張成程通過構(gòu)筑樹冠三維模擬模型，結(jié)合可視化軟件3DTree來探討林分空間結(jié)構(gòu)優(yōu)化可視化經(jīng)營和模擬不同間伐強(qiáng)度的采伐可視化經(jīng)營。以空間優(yōu)化指標(biāo)來選擇采伐木，模擬林木動態(tài)生長對采伐空間的填充過程，并探討采伐所形成林窗動態(tài)變化曲線，以此為落葉松人工林的空間優(yōu)化的可視化經(jīng)營提供參考[37]。章雪蓮提出基于GIS把森林可視化和空間結(jié)構(gòu)分析結(jié)合起來進(jìn)行研究的一套技術(shù)方法[33]。以浙江省天目山國家級自然保護(hù)區(qū)內(nèi)的常綠闊葉林為例，建立了基于樹木紋理貼圖的樹木三維模型；將Voronoi圖引入森林空間結(jié)構(gòu)研究，改進(jìn)了傳統(tǒng)的森林空間結(jié)構(gòu)指數(shù)計算方法；開發(fā)建立了森林可視化與空間結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)，在計算機(jī)上實現(xiàn)森林可視化與空間結(jié)構(gòu)分析，為森林經(jīng)營決策提供可視化的、精準(zhǔn)的信息，為常綠闊葉林的保護(hù)、恢復(fù)與重建提供技術(shù)支持與理論依據(jù)，對實現(xiàn)森林可持續(xù)經(jīng)營有著重要意義。
7 結(jié)束語
樹木模型三維可視化技術(shù)準(zhǔn)確而逼真地實現(xiàn)了樹木形態(tài)虛擬顯示，林分三維可視化是在單木可視化的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，為森林景觀三維虛擬仿真提供了條件；直觀、準(zhǔn)確、交互的虛擬林相圖可以使森林的規(guī)劃設(shè)計、撫育、間伐、更新和管理更加便利；利用生長模型可以快速地模擬林分生長狀況，為選擇合理的競爭指標(biāo)和應(yīng)用不同的方法來建構(gòu)競爭指標(biāo)提供了依據(jù)；林火模擬能夠及時避免和有效減少火災(zāi)帶來的災(zāi)害，同時結(jié)合通視域分析等信息可以建立合理的防火設(shè)施；三維可視化技術(shù)擴(kuò)充了傳統(tǒng)的病蟲害監(jiān)測手段，使得預(yù)測和治理由傳統(tǒng)的時間尺度上升到空間尺度；空間格局的研究是和森林經(jīng)營管理結(jié)合最緊密的應(yīng)用方式，在森林恢復(fù)與重建、結(jié)構(gòu)與功能調(diào)控中起重要的指導(dǎo)作用。
森林資源信息量大、涉及面廣，而且相互關(guān)聯(lián)，各類信息復(fù)雜，對于那些沒有經(jīng)過培訓(xùn)或者在森林管理方面沒有經(jīng)驗的人員很難理解，在林業(yè)中應(yīng)用三維可視化不僅可使公眾更好地理解和接受森林管理行為的動機(jī)和意圖，而且對相關(guān)工作人員制定森林管理策略也是必不可少的[38]。但森林資源三維可視化的工作量很大，對各類復(fù)雜自然景物的建模、算法的優(yōu)化、空間分析及制定有效的經(jīng)營管理策略等方面的研究還需要不斷深入。
三維可視化技術(shù)應(yīng)用在數(shù)字林業(yè)中，不僅可使人們身臨其境地漫游在森林中， 也可通過模擬選擇最優(yōu)的經(jīng)營方式， 減少林業(yè)工作者傳統(tǒng)作業(yè)的工作量，避免經(jīng)營失誤帶來的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的損失，有助于林業(yè)管理人員在虛擬的環(huán)境下及時了解和掌握森林資源現(xiàn)狀和動態(tài)變化過程，如森林火災(zāi)的蔓延過程和病蟲害的侵害趨勢等。同時，還能提供不斷更新的相關(guān)森林資源信息， 如地類、樹高、蓄積量和相關(guān)的統(tǒng)計結(jié)果，為相關(guān)森林資源規(guī)劃管理方案的制定提供高效、準(zhǔn)確的輔助決策；而且對影響森林資源分布、演替的其他相關(guān)因素可進(jìn)行綜合宏觀分析研究，從而推進(jìn)森林資源培育、保護(hù)、利用的合理化，協(xié)調(diào)生態(tài)系統(tǒng)的和諧與共存發(fā)展。
參考文獻(xiàn)：
[ 1 ] 黃心淵， 王海． “數(shù)字林業(yè)”及其技術(shù)與發(fā)展[J]． 北京林業(yè)大學(xué)
學(xué)報，2006，28（6）：142－147．
[ 2 ] 劉彥君， 游先祥， 葉影． 三維可視化技術(shù)在林業(yè)中的應(yīng)用研究
進(jìn)展[J]． 林業(yè)調(diào)查規(guī)劃， 2010，35（6）：9－13．
[ 3 ] 龍潔， 蘇喜友． 國內(nèi)樹木三維可視化技術(shù)研究進(jìn)展[J]． 林業(yè)機(jī)
械與木工設(shè)計， 2007，35（6）：4－6．
[ 4 ] 李慶忠， 韓金姝． 一種L系統(tǒng)與IFS相互融合的植物模擬方法
[J]． 工程圖學(xué)學(xué)報， 2005，（6）：135－139．
[ 5 ] 郝衛(wèi)亮， 王劍英． 基于分形的三維樹木形態(tài)模擬[J]． 計算機(jī)應(yīng)
用， 2007，27（9）：2137－2139．
[ 6 ] 張佳佳， 淮永建． 基于形態(tài)結(jié)構(gòu)特征樹木幾何建模方法研究
[J]． 軟件天地， 2010，（12）：253－254．
[ 7 ] 呂夢雅， 劉猛， 唐勇． 基于立體視覺的樹木三維重建[C]／／ 第二
屆立體圖象技術(shù)及應(yīng)用（國際）研討會論文集，2007：28－33．
[ 8 ] 向南平， 周翠竹． 基于ArcObjects的樹木景觀建模[J]． 測繪與
空間地理信息， 2006，29（1）：33－35．
[ 9 ] PRADAL C，BOUDON F，NOUGUIER C，et al． PlantGL： A P－
ython－based geometric library for 3D plant modelling at differ－
ent scales[J]． Graphical Models， 2009，71：1－21．
[10] 董斌， 馮仲科， 張冬有， 等． 基于GIS的數(shù)字三維林相圖構(gòu)建
技術(shù)[J]． 北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報， 2008，30（1）：143－146．
[11] 曲林． 基于OpenGL的三維虛擬林相制作研究[J]． 林業(yè)科技情
報， 2007，39（2）：8－9．
[12] LIM E，HONJO T． Three－dimensional visualization forest of l－
andscapes by VRML[J]． Landscape and Urban Planning， 2003，
63：175－186．
[13] 羅傳文． 三維虛擬林相的制作技術(shù)研究[J]． 林業(yè)科學(xué)，2003，39
（3）：169－171．
[14] 盧雙珍， 曹順偉， 鄧喜慶， 等．三維林相制作研究． 安徽農(nóng)業(yè)
科學(xué)， 2009，37 （14）：6719 － 6724．
[15] 孫海洪， 羅傳文， 趙慶丹， 等． 基于OpenGL的三維虛擬林相
建立[J]． 東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報， 2010，38 （8）：136－139．
[16] 蘇喜友， 龍潔． 木本植物三維可視化生長模型與林業(yè)生產(chǎn)[J]．
【論文關(guān)鍵詞】電子技術(shù)；理論與應(yīng)用；近似計算；靜態(tài)分析
【論文摘要】本文首先探討了近似計算在靜態(tài)分析中的應(yīng)用問題，其次分析了納米電子技術(shù)急需解決的若干關(guān)鍵問題和交互式電子技術(shù)應(yīng)用手冊，最后電子技術(shù)在時間與頻率標(biāo)準(zhǔn)中的應(yīng)用進(jìn)行了相關(guān)的研究。因此，本文具有深刻的理論意義和廣泛的實際應(yīng)用價值。
一、近似計算在靜態(tài)分析中的應(yīng)用
在電子技術(shù)中應(yīng)運中，近似計算貫穿其始終。然而，沒有近似計算是不可想象的。而精確計算在電子技術(shù)中往往行不通，也沒有其必要。盡管近似計算會引入一定的誤差，但這個誤差控制得好，不會對分析其它電路產(chǎn)生大的影響。所以關(guān)鍵在于我們?nèi)绾握莆眨貏e是如何應(yīng)用近似計算。
在工作點穩(wěn)定電路中的應(yīng)用要進(jìn)行靜態(tài)分析，就必須求出三極管的基電壓，必須忽略三極管靜態(tài)基極電流。這樣，我們得到三極管的基射電子的相關(guān)過程及結(jié)論。
二、納米電子技術(shù)急需解決的若干關(guān)鍵問題
由于納米器件的特征尺寸處于納米量級，因此，其機(jī)理和現(xiàn)有的電子元件截然不同，理論方面有許多量子現(xiàn)象和相關(guān)問題需要解決，如電子在勢阱中的隧穿過程、非彈性散射效應(yīng)機(jī)理等。盡管如此，納米電子學(xué)中急需解決的關(guān)鍵問題主要還在于納米電子器件與納米電子電路相關(guān)的納米電子技術(shù)方面，其主要表現(xiàn)在以下幾個方面。
（1）納米Si基量子異質(zhì)結(jié)加工
要繼續(xù)把現(xiàn)有的硅基電子器件縮小到納米尺度，最直截了當(dāng)?shù)姆椒ㄊ遣捎猛庋?、光刻等技術(shù)制造新一代的類似層狀蛋糕的納米半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。其中，不同層通常是由不同勢能的半導(dǎo)體材料制成的，構(gòu)建成納米尺度的量子勢阱，這種結(jié)構(gòu)稱作“半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)”。
（2）分子晶體管和導(dǎo)線組裝納米器件即使知道如何制造分子晶體管和分子導(dǎo)線，但把這些元件組裝成一個可以運轉(zhuǎn)的邏輯結(jié)構(gòu)仍是一個非常棘手的難題。一種可能的途徑是利用掃描隧道顯微鏡把分子元件排列在一個平面上；另一種組裝較大電子器件的可能途徑是通過陣列的自組裝。盡管，PurdueUniversity等研究機(jī)構(gòu)在這個方向上取得了可喜的進(jìn)展，但該技術(shù)何時能夠走出實驗室進(jìn)入實用，仍無法斷言。
（3）超高密度量子效應(yīng)存儲器
超高密度存儲量子效應(yīng)的電子“芯片”是未來納米計算機(jī)的主要部件，它可以為具備快速存取能力但沒有可動機(jī)械部件的計算機(jī)信息系統(tǒng)提供海量存儲手段。但是，有了制造納米電子邏輯器件的能力后，如何用這種器件組裝成超高密度存儲的量子效應(yīng)存儲器陣列或芯片同樣給納米電子學(xué)研究者提出了新的挑戰(zhàn)。
（4）納米計算機(jī)的“互連問題”
一臺由數(shù)萬億的納米電子元件以前所未有的密集度組裝成納米計算機(jī)注定需要巧妙的結(jié)構(gòu)及合理整體布局，而整體結(jié)構(gòu)問題中首當(dāng)其沖需要解決的就是所謂的“互連問題”。換句話說，就是計算結(jié)構(gòu)中信息的輸入、輸出問題。納米計算機(jī)要把海量信息存儲在一個很小的空間內(nèi)，并極快地使用和產(chǎn)生信息，需要有特殊的結(jié)構(gòu)來控制和協(xié)調(diào)計算機(jī)的諸多元件，而納米計算元件之間、計算元件與外部環(huán)境之間需要有大量的連接。就現(xiàn)有傳統(tǒng)計算機(jī)設(shè)計的微型化而言，由于電線之間要相互隔開以避免過熱或“串線”，這樣就有一些幾何學(xué)上的考慮和限制，連接的數(shù)量不可能無限制地增加。因此，納米計算機(jī)導(dǎo)線間的量子隧穿效應(yīng)和導(dǎo)線與納米電子器件之間的“連接”問題急需解決。
（5）納米/分子電子器件制備、操縱、設(shè)計、性能分析模擬環(huán)境
當(dāng)前，分子力學(xué)、量子力學(xué)、多尺度計算、計算機(jī)并行技術(shù)、計算機(jī)圖形學(xué)已取得快速發(fā)展，利用這些技術(shù)建立一個能夠完成納米電子器件制備、操縱、設(shè)計與性能分析的模擬虛擬環(huán)境，并使納米技術(shù)研究人員獲得虛擬的體驗已成為可能。但由于現(xiàn)有計算機(jī)的速度、分子力學(xué)與量子力學(xué)算法的效率等問題，目前建立這種迅速、敏感、精細(xì)的量子模擬虛擬環(huán)境還存在巨大困難。
三、交互式電子技術(shù)手冊
交互式電子技術(shù)手冊經(jīng)歷了5個發(fā)展階段，根據(jù)美國國防部的定義：加注索引的掃描頁圖、滾動文檔式電子技術(shù)手冊、線性結(jié)構(gòu)電子技術(shù)手冊、基于數(shù)據(jù)庫的電子技術(shù)手冊和集成電子技術(shù)手冊。目前真正意義上的集成了人工智能、故障診斷的第5類集成電子技術(shù)手冊并不存在，大多數(shù)電子技術(shù)手冊基本上位于第4類及其以下的水平。需要聲明的是，各類電子技術(shù)手冊雖然代表不同的發(fā)展階段，但是各有優(yōu)點，較低級別的電子技術(shù)手冊目前仍然有著各自的應(yīng)用價值。由于類以上的電子技術(shù)手冊在信息的組織、管理、傳遞、獲取方面具有明顯的優(yōu)點。簡單的說，電子技術(shù)手冊就是技術(shù)手冊的數(shù)字化。為了獲取信息的方便，數(shù)字化后的數(shù)據(jù)需要一個良好的組織管理和提供給用戶的形式，電子技術(shù)手冊的發(fā)展就是圍繞這一過程來進(jìn)行的。
四、電子技術(shù)在時間與頻率標(biāo)準(zhǔn)中的應(yīng)用
時間和頻率是描述同一周期現(xiàn)象的兩個參數(shù)，可由時間標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)出頻率標(biāo)準(zhǔn)，兩者可共用的一個基準(zhǔn)。
