菊花花器官的数学建模和可视化【字数：9499】
目录
摘要1
关键词1
Abstract1
Key words1
引言1
1 材料与方法2
1.1.1 植物材料 2
1.1.2 硬件 2
1.1.3 软件 2
1.2 方法 2
1.2.1 花器官发育延时摄影2
1.2.2 Adobe Premiere视频抽帧3
1.2.3 各帧静态真实模型构建3
1.2.4 动态模型合成4
1.2.5 模型分析4
2 结果与分析5
2.1 实验结果5
2.2误差分析5
3 讨论6
3.1 数学建模可视化的意义6
3.2 数学建模可视化的优点6
3.3 数学建模可视化的不足与局限性7
3.4 数学建模可视化在植物生理学中运用的发展前景7
致谢8
参考文献9
菊花花器官的数学建模和可视化
引言
菊花(Chrysanthemum morifolium)又名鞠秋、菊华、女华、黄花、茱萸、甘菊、金英、帝女花等，是菊科菊属多年生宿根草本植物，起源于我国，是中国十大传统名花和世界四大切花之一[1]，菊花品种繁多，曾被中外花卉界誉为“世界两大花卉育种奇观”之一，它具有了观赏、食用以及药用等多种价值[2]。
菊花的花为头状花序，花序外由绿色苞片构成花苞，头状花序包括花盘中央雌雄同蕊的管状花和花盘外围单性舌状花[3] 。
由于被子植物(angiosperms)最显著的特征在 *51今日免费论文网|www.51jrft.com +Q: #351916072#
于其独特的繁殖器官，花器官的形态多变且特异性强，而形态学(morphology)又是研究形态和结构的学科，是所有生物学研究的重要基础，所以与菊花花器官形态学相关的研究很多，并且有热度不断上升的趋势，涵盖植物分类、分子生物、观赏性育种、审美探究、生产实践等诸多领域。
随着计算机技术的不断发展，基于计算机应用学方法对植物花器官的形态发育进行可视化模拟的技术越来越成熟。应用计算机模拟植物，使其生长过程可视化的方法也称为“虚拟植物生长(virtual plants growth)”。它不仅是计算机图形应用中的自然景物模拟重要研究内容,也是农业科研和教学的新手段[4]。
虚拟植物研究自发展以来，大多数研究均致力于农林作物以及林木等方面，研究过程相对较为深入，模型构建过程相对比较成熟，然而相比于常见的园林景观植物，特别是对于花卉的研究相对较为薄弱，目前为止用于构造植物形态的计算机模型大致可以分为两大类[5]：第一类模型是用于生成仅从视觉上近似于植物的计算机图形的,其注重使模型的视觉效果更加逼真,而不是在植物学上强调模型真实性[6]。大多数的植物形态模型属于这一类模型。由于这类模型一般不是按照植物生长的过程构造植物的形态结构的,而且普遍以轴(axis)为构造形态结果的尺度单位,所以并不适合模拟真实植物生长的过程；第二类模型称为静态结构模型，该方法比较成熟，已经有基于该方法进行虚拟植物模拟的软件如xfrog、OnyxFLOWER、PlantStudio 等[7]。这类模型是利用三维可视化方法测定种植的特定植物形态结构后,直接应用数据构造具体植物的形态模型[8]。这类模型不适合反映植物形态结构的动态规律[9]。可见这两大类模型都不能直观地实现菊花花器官动态变化过程的表达，在科研中使用局限性很大[10]。
本试验主要攻克的困难在于菊花花器官形态动态真实模型建立，意在构造特定植物的动态仿真模型，该模型可在各领域，如菊花的系统分类、花器官形态表现型与基因型对应、菊花观赏性育种、实验处理的响应和品质评价及分级中提供依据，将花器官的形态学研究推向新高度[11]。本项目在非植物学领域，如景观设计、计算机动画、自然景观再现和计算机教学等领域也具备广泛的应用前景。
1 材料与方法
1.1 材料
1.1.1 植物材料
菊花‘淡绿天赞’为大学菊花遗传育种与分子生物学实验室自主选育品种，花瓣白色，边缘为淡绿色，花瓣类型为平瓣型。本试验以1度开放的‘淡绿天赞’为试验材料，通过记录其开放过程建模。
1.1.2 硬件
佳能EOS 800D单反相机、佳能EF 100mm f2.8L IS USM微距镜头、计算机。
1.1.3 软件
在Windows10下运行的Adobe 3Ds Max、Adobe Premiere、Adobe Illustrator等软件。
1.2 方法
项目针对静态模型无法用于观察花器官发育时形态动态变化的问题，采取了固定时间步长抽帧构造多个静态模型序列，合并该模型序列并制作动画的方式，实现了花瓣展开动态模型的构建[12]。
针对重瓣花朵结构较为复杂，花瓣排列方式线性程度低，三维可视化模拟效果较差等问题，项目提出了一种适合重瓣、平瓣菊花单花瓣建模的方法，即利用布尔运算将同一朵花不同角度花瓣按使用几何方法计算出的角度进行Bezier曲线相交得出弯曲面片，以模拟花瓣大致形态与位置，来进行菊花单花瓣的静态模型构建。该方法不仅具有真实度高、数学性强的优点，还可以从少量特征点中生成大量点，在保持物体的形状特征的同时还可平缓的过渡模型边缘，适合在菊花花瓣这种平缓起伏的曲面的建模中使用。
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