2013 年 6 月 1 日 农 机 化 研 究 第 6 期
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植 物 叶 片 渲 染 方 法 研 究 进 展
汪丽萍 *何火娇
（江 西农 业大 学 软 件学 院， 南昌 330045）
摘 要 ：数 字植 物是 农业 信 息学 的重 要研 究方 向 ，而 植物 建模 是数 字 植物 的主 要内 容 ，作 为植 物最 重要 的
器官 ，叶片 的真 实渲 染是 植 物真 实建 模研 究的 关键 。本文 描述 了近 些年 来植 物叶 片 渲染 与可 视化 研究 状况 ，
并对 单一 时 刻植 物叶 片表 观 渲染 方法 与随 时间 动 态变 化的 叶片 表观 渲 染方 法分 别进 行 了详 细的 介绍 ，同 时
对这 两方 面未 来发 展趋 势进 行 了初 步的 探讨 。
关键 词： 植物 建模 ；叶 片渲 染 ；可 视化
中图 分类 号： 文 献标 识码：A 文 章编 号：
0 引言
植物 是自然 界为数 众多的 有机体 ，因其 千差万
别的 形态结 构和丰 富多彩 的颜色 ，使得 我们眼 中的
大自 然绚丽 多姿。 随着信 息技术 的飞速 发展， 信息
科学 与传统 自然科 学的交 叉融合 ，在计 算机上 模拟
真 实 的 自 然 植 物 已 经 成 为 当 今 这 些 领 域 的 研 究 热
点。 近年来 ，对植 物形态 结构的 精确描 述、可 视化
表达 获得了 大量的 研究
[1- 4 ]
。除形 态 结构 外，人们 对
植物 的另一 生命特 征—— 叶片表 观也开 展了广 泛的
研究 。叶片 是植物 颜色表 现的重 要载体 ，是自 然景
观中 不可或 缺的调 色板。 从生理 学上说 ，叶片 又是
植物 光合、 呼吸、 蒸腾等 重要生 理过程 的场所 。它
的表 观状态（包括 颜色和 纹理 ）是外 界光照 、温 度 、
湿度 等复杂 自然环 境因素 与其内 部生理 生化反 应和
生长 状态因 素共同 作用的 结果。 通过叶 片表观 表现
可以 推断植 物的营 养，病 理甚至 根系的 生长情 况。
因此 ，对植物 叶片渲 染与 可视化 研究具 有重要 意义。
现实 世界中 我们看 到的植 物叶子 ，包括 它的形
态， 纹理和 颜色， 都是出 于我们 肉眼感 知的。 根据
物理 学的知 识，植 物在太 阳光照 下，根 据其自 身结
构特 性，吸 收其中 一些光 线（能 量）， 将不能 吸收
的光 线反射 出来， 当我们 的眼睛 捕捉到 这些被 反射
的光 线后， 就可以 感受到 植物的 表观形 状和表 面的
色泽 。植物 叶片的 内部生 理结构 使得叶 片具有 半透
明物 质的特 性。叶 片的物 理结构 如图 1 所 示，最 外
部分 的角质 层（cuticle）是由 蜡 质层 组成的 ，它表
面的 粗糙程 度和折 射率决 定了表 皮对光 的镜面 反射
效果 。接下 来是栅 栏细胞 层（palisade layer） ，
海绵 细胞层（spongy layer），下 表皮层（antidermal
wall, abaxial epidermis, cuticle） 。栅栏 细胞
和海 绵细胞 共同构 成叶肉 细胞， 在叶肉 细胞中 含有
可以 吸收光 线的色 素。于是，当光 线到达 叶片表 面，
部分 光线发 生反射 ，另一 部分将 进入叶 片内部 ，进
入内 部的光 线经过 多次折 射，一 些特定 波长范 围内
的光 线被色 素吸收 ，剩下 的光线 再被反 射回来 。在
计算 机图形 学中， 叶内色 素吸收 光线的 特性称 为叶
片的 材质特 性。在 对叶片 进行渲 染时， 不同的 光照
环境 的和不 同的材 质特性 会生成 不同的 结果。
图 1 叶 片 组织 横截 面
Fig.1 Typical cross-section of foliar tissues
然而 植物叶 片的表 观不是 一成不 变而是 随时间
动态 变化的 ，如四 季乔木 表现出 的春的 翠绿， 夏
的浓 郁，秋 的橙黄 ，冬的 干枯等 等，呈 现这些 五
彩缤 纷的颜 色的原 因可以 从植物 生理学 的角度 来
解释 。植物 叶片呈 现的颜 色是叶 片内各 种色素 的
收 稿 日 期 ：2012-07-
基 金 项 目 ：国 家自 然 科 学 基 金 资 助 项目（ 60963013），江 西省 科技 支撑 计
划 资 助 项 目 （ 2010BNA10000）
作 者 简 介 ： 汪 丽 萍 （ 1987- ） , 女 ， 江 西 贵 溪 人 ， 硕 士 生 ， (E-
mail)
wlp8633@126.com。
通 讯 作 者 ：何火 娇（ 1950-），女，江 西鄱 阳 人 ，教 授 ，硕 士 生导 师，(E-mail)
1090959880@qq.com
。
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