基于物理力学的植物细胞三维可视化建模研究

作     者：赵德恒 

作者单位：江西农业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：赵应丁;易文龙;姚磊岳

授予年度：2022年

学科分类：0710[理学-生物学] 07[理学] 08[工学] 071009[理学-细胞生物学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 

主      题：植物细胞应力-应变 半边结构 双三次Bézier曲面 拓扑查询 

摘      要：针对从微观环境下探究植物器官形态建成机理,近年来通过计算机技术对植物细胞生长仿真取得了丰硕成果,然而大部分工作集中在建立细胞二维、静态的几何模型。植物细胞扩张与变形是直接受本身物理力学作用的动态演化过程,为此本研究提出了一种基于物理力学的植物细胞三维动态仿真模型,并基于QT实现了人机交互的仿真平台。首先,采用半边数据结构构建了植物细胞轮廓的拓扑结构,并设计了其顶点、边界、面片查询算法。其次,根据双三次Bézier曲面控制简单灵活的特点以及实现柔性变形的功能,采用多个双三次Bézier曲面绘制植物细胞的细胞壁,降低整体建模的难度,并且与构造细胞骨架的半边数据结构相结合,然后根据双三次Bézier曲面的光滑拼接条件实现多个曲面拼接,补充了植物细胞拓扑模型的几何细节信息。再次,为了探究植物细胞在生长过程中的真实形态变化,对植物细胞的物理力学特性进行研究,通过柯西应力求出细胞在生长过程中的主要应力大小,采用广义胡克定律求出植物细胞在发育过程中受主要应力产生的应变,并通过计算机可视化技术实现三维植物细胞的应力应变仿真。最后,使用C++与OpenGL图形库实现植物细胞几何模型以及拓扑单元查询算法,构建植物细胞应力应变模型和基于物理力学特性的三维植物细胞仿真平台,完善了植物细胞应力应变模型的人机交互功能。仿真结果表明,本方法不仅能比较容易地控制植物细胞三维模型的形状,而且对此后植物细胞应力-应变模型的研究提供了一种动态仿真算法。本研究中的植物细胞三维模型不仅能够为理解植物组织形成规律提供一种信息化手段,而且该模型的仿真平台能够应用到植物生物教学与科普活动中。