虚拟植物建模在校园设计中的应用研究

  • 投稿薪人
  • 更新时间2015-09-16
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张卫婷ZHANG Wei-ting曰陈业欣CHEN Ye-xin曰刘井涛LIU Jing-tao

(咸阳职业技术学院,咸阳712000)

摘要院依据虚拟植物建模的技术和方法特点,提出植物学教学改革方向。通过对虚拟植物建模方法、虚拟植物模型教学平台建设、虚拟植物建模在教学、校园建设中的应用等内容的研究,分析虚拟植物模型与实际教学应用的结合点,以构建虚拟植物模型教学系统,实现虚拟植物模型能够解决学习媒体与自然交互性的要求,激发学生的学习兴趣。

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关键词 院虚拟植物模型;教学平台;教学系统

中图分类号院TU986.2 文献标识码院A 文章编号院1006-4311(2015)27-0174-02

0 引言

虚拟植物模型是由计算机图形学、数学、生态学、植物学等诸多学科融合发展起来的虚拟植物模型。建立的模型对植物生理、生态过程的模拟,可预测在不同环境条件下,植物生长的某些综合指标,如作物的产量、叶面积指数动态等。这类模型与专家教学系统结合,对教学等领域具有重要的指导意义[1]。

1 建模方法

虚拟植物常用的建模方法是将计算机图形学、人工生命等基础理论知识相结合的方法。

计算机图形学科是建立在应用数学、计算机科学、图学理论基础上的边缘学科,是研究几何对象及其图像的生成、存储、处理和操作的一门学科。几何对象是指客观世界物体的模型;图像是模型化的对象在计算机显示或输出设备上的效果;生成、处理和操作是利用计算机实现客观世界、对象模型和输出图像三者之间人工生命是表示自然生命行为特征的人造系统[2]。它属于计算机科学领域涉及人工智能技术与计算机软件工程的虚拟生命系统。

2 虚拟植物建模方法

2.1 植物精细化建模

植物模型的精度和准确性由植物模拟结果的可靠性和正确性确定,当前在精确模拟植物器官方面,植物虚拟模型与真实植物存在一定的差距。运用信息技术建立各个层次数字化的器官模型,利用基因组织和器官形态,建立特定植物的多维维模型,是对植物精确模拟的一种手段,如图1 所示。

2.2 可控式功能-结构互反馈植物建模

该建模的重点是突破形态结构模型与生理模型的界限,破解两类模型之间数据传输的难题,建立两者融合一体的模型。其需要深入分析植物生长与环境因子之间的关系,建立多种环境下的植物生长模型,如图2 所示。

3 虚拟植物模型教学平台建设

3.1 沉浸式虚拟植物模型教学平台

沉浸式虚拟植物模型教学平台是通过对现实植物的模拟与仿真实现,使用虚拟原型交互仿真界面对模型进行操作,使学习者产生与真实植物相同的沉浸感,使学习者具有身临其境的感觉[3]。该教学平台充分利用多种媒体信息的作用,激发学生学习动力、培养学习兴趣。

3.2 协作式虚拟植物模型教学平台

协作式虚拟植物模型教学平台是学生以讨论的方式提出解决方法,通过交流、讨论和验证各自的观点,得出正确的解决方案。初始阶段为验证阶段;过渡阶段从验证到综合性实验;总结阶段进行植物科检索和编制检索表[4,5]。协作式虚拟植物模型教学平台体现出系统的开放性和协同性,培养学生分析问题、解决问题的能力。

3.3 自适应虚拟植物模型教学平台

自适应虚拟植物模型是能从植物生长环境中获取信息,并实时改善其性能。自适应虚拟植物模型能修正自身特征以响应规则的变化,并依据学习者的学习过程形成反馈回路,为学习者提供获取知识和技能的教学平台。

4 虚拟植物建模在教学建设中的应用

虚拟植物模型能够解决学习媒体与自然交互性的要求,通过视频、音频和3D 动画等多媒体技术实现动态交互,激发学生的学习兴趣,在教育领域内有着极其巨大的应用前景。通过对网络虚拟植物教学系统的构建,给出了网络虚拟植物模型结构。在实际教学中实现虚拟教学和实际教学相结合,相互补充,更好体现植物教学目的[6]。结合目前的实际教学情况,我们在植物学教学实践中开发了虚拟植物模型的实例。运用Flash 模拟“植物光合作用生长过程”的教学;利用计算机辅助软件模拟植物吸收水分的生长过程的教学等。学生在虚拟虚拟植物模型环境中对植物生长原理掌握效果好,培养学生的综合应用能力。

5 虚拟植物建模在校园设计中的应用

虚拟校园为师生们提供了快捷、便利的交流平台,同时完善的虚拟校园系统融生活、工作、学习为一体,增进师生之间交流,实现师、生间的有效、良好沟通。

虚拟校园场景设计中,一个很重要的设计就是校园绿化设计。虚拟植物建模在校园绿化中的静态植物模型和动态生长过程中发挥着重要的作用,可形象、逼真显示,且可接近实际的动态演示生长过程,很好的实现虚拟校园设计中的植物形态建模和生长建模。

目前,在虚拟校园设计中,常用的虚拟植物建模方法有两种,一种是基于图像的虚拟现实技术(IVR,ImagedBased Virtual Reality),其优点场景比较逼真和生动,如图3所示;另一种是基于3DPolygon 虚拟现实技术,虽然逼真度较差,但较容易控制,如图4 所示。在实际设计中将这两种技术相结合,已达到最佳的设计效果。

6 结论

虚拟植物模型加强和扩展了教学效果,激发学生的学习兴趣、培养学生分析问题和解决问题的能力。通过对虚拟植物模型构建的研究,从虚拟植物建模方法、虚拟植物模型教学平台建设、虚拟植物建模在教学和校园建设中的应用等几个方面进行了探讨。提出在虚拟植物建模在校园设计中,将基于图像的虚拟现实技术和基于3DPolygon 虚拟现实技术相结合的设计方法。