臺灣博碩士論文加值系統

　　本研究結合參數型L系統與括弧型L系統，以二層代換規則描述虛擬植物的樹狀結構與生長變化，並利用三度空間計算機繪圖函式庫，以彎曲的圓柱為莖節，捲曲的曲面加上材質貼圖為葉片，繪出虛擬植物三度空間影像。為能順利建構虛擬植物，透過立體機器視覺技術設計一套數位化系統，取出包括莖節位置、角度、長度，各片葉片葉柄長、角度、長度，葉面質地、長、寬等資訊，建立與真實植物相似的虛擬植物，形成L系統的狀態字串，並透過狀態字串計算出虛擬植物的葉面積、莖長等植物特徵值。測試結果顯示，數位化系統對辣椒、黑格林芥藍菜、甘藍菜與白菜進行的特徵值量測時，平均平方根誤差(RMSE)都很低，尤其是第一段莖節長的RMSE更在1mm以下，總葉面積量測的RMSE也在2cm2以內。
　　透過此虛擬植物系統可以對植物進行非破壞性量測。本研究利用此量測系統進行了二項實驗，在第一項實驗中，我們量取甘藍菜苗在不同生長階段的特徵值，建立生長曲線，透過此結果看出同一株植株在不同生長階段的總葉面積、莖長、單一葉片葉面積等變化。另一項實驗中，我們以同樣的方式建立一批在不同介質量下生長的辣椒苗生長曲線，討論不同介質量對辣椒苗生長狀態的影響。在各項實驗中，我們建立了甘藍、辣椒、芥藍、白菜等蔬菜種苗的虛擬植物，此外，我們另建立七種結構形式相異的植物之虛擬植物，以討論所設計之L系統的泛用性與其限制。

　A virtual plant system based on parametric L-system and bracketed L-system was developed in this research. The virtual plant system used two layers of rules to describe the branching structures and the growth of plants. 3D graphics library was used to present 3D images of virtual plants modeled with curly cylindrical stems and leaves composed of parametric surface and texture. In order to efficiently construct a virtual plant, a digitizing system employing stereo machine vision to acquire the geometric information such as position, angle, length of internode and leaves was also developed. The digitized coordinates were used to construct the structure of virtual plant and translate into the state string of our L-systems for further calculation of plant characteristics. The performance of the machine vision system was tested with the measurement of the characteristics of pepper, collard, cabbage and Chinese cabbage seedlings. The experimental results showed that the RMSE of internode were less than 1 mm, and the RMSE of total leaf area were less than 2 cm2. The machine vision system can also be used for nondestructive growth measurement of plants. Two sets of experiments were performed. In the first experiment, the characteristics of cabbage seedlings were measured continuously as they grew. The growth curves of total leaf area, single leaf area, the length of stem, etc. were determined and analyzed. In the second experiment, we measured the growth curves of pepper seedlings cultured in pots with different sized to compare the effect of medium quantity on the growth pepper seedlings. Besides the construction of virtual plants for vegetable seedlings in the previous experiments, virtual plants of 7 other plants with different shapes and structures were also constructed to test and discuss the versatility and limitation of the virtual plant system developed in this research.

摘要I
ABSTRACTII
目錄III
圖目錄VIII
表目錄XII
一、研究目的1
二、文獻探討2
2.1 虛擬植物(Virtual Plant) 3
2.2 L系統(Lindenmayer Systems, L-systems3
2.2.1 DOL系統(Deterministic OL-systems, DOL-L-systems) 5
2.2.2 樹狀型OL系統(Tree OL-systems)8
2.2.3 括弧型OL系統(Bracketed OL-systems)8
2.2.4 IL系統(IL-systems)8
2.2.5 參數型L系統(Parametric L-systems)11
2.3植物結構數位化12
2.3.1 以機器視覺為基礎進行量化12
2.3.2 以磁場進行數位化15
2.4 植物的描述15
2.4.1 植物結構15
2.4.2 葉面形狀15
2.5 生長模式16
三、研究設備與方法18
3.1 硬體設備18
3.2 IPIMAS軟體簡介 18
3.2.1 IPIMAS函式庫 20
3.2.2 IPIMAS應用程式22
四、虛擬植物L系統25
4.1 L系統的設計構想25
4.2 L系統的語法字義25
4.2.1 狀態字串25
4.2.2 代換規則26
4.2.3 亂數函式28
4.2.4 特徵字串30
4.2.5狀態字串轉換程式流程圖31
4.3虛擬植物L系統視窗31
4.4 植物結構之語法編輯實作35
五、植物之計算機繪圖模擬38
5.1 OpenGL計算機繪圖函式庫38
5.2 植物特徵定義39
5.3 根與莖的繪製39
5.4 葉柄的繪製41
5.5 葉身的繪製43
5.5.1長方形葉身43
5.5.2 橢圓形葉身49
5.5.3 Bézier曲線葉身50
六、植物結構數位化系統56
6.1 數位化流程56
6.2 系統設定59
6.2.1 三視圖擷取59
6.2.2 三視圖座標對應校正59
6.2.3 平面座標與空間座標間的對應與轉換63
6.2.4 單位校正65
6.2.5 工作區域設定65
6.2.6 倒傳遞類神經網路訓練68
6.3 葉片搜尋68
6.3.1 根部座標之搜尋法68
6.3.2 葉身前端、基部與葉柄座標搜尋法70
6.3.3 葉身模板製作方法73
6.4 資料修正73
6.5 特徵字串計算法74
6.6 其他功能79
6.6.1製作葉身模板79
6.6.2由L系統初始字串計算虛擬植物特徵80
6.7 重建範例83
6.8 自動化系統準確度測試93
6.9甘藍菜生長曲線量測95
6.10 不同介質量對辣椒苗生長影響96
七、結果與討論97
7.1 自動化系統準確度測試結果98
7.1.1 虛擬植物重建98
7.1.2 第一段莖節長98
7.1.3 莖長106
7.1.4 葉身長度106
7.1.5 葉身寬度113
7.1.6 葉面積113
7.1.7 總葉面積113
7.1.8 葉柄長度123
7.2 甘藍菜生長曲線量測結果123
7.3不同介質量對辣椒苗生長影響131
7.3.1各介質量虛擬植物重建結果131
7.3.2各介質量量測實驗結果131
7.3.3第一段莖節長變化比較138
7.3.4莖長變化比較138
7.3.5總葉面積變化比較161
7.3.6投影面積變化比較161
7.3.7 LAI變化比較161
7.3.8第一片真葉變化比較161
7.3.9不同容積下根系的比較165
7.3.10最終階段虛擬與真實的比較165
7.4 建立結構複雜的植物165
八、結論與建議179
8.1 結論179
8.2 建議181
參考文獻183
附錄一 IpImage元件類別說明187
附錄二 ColorRGB與IpRGB類別說明189

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