虚拟植物是利用计算机技术在三维空间内模拟植物结构以及生长发育过程的一门新兴学科，把人类对现实中真实植物的视觉等感官印象通过数学方法抽象为对植物形态学的一系列认识，便于人类对植物本质构造以及生长规律的深入研究。虚拟植物研究经过数十年的发展已经取得了一定成绩，而且建模方法逐步完善，逐渐成为计算机领域的研究热点。通过对虚拟植物的构建，可以定量而系统的分析植物生长发育与作物产量之间的关系，以及植物内在基因控制、激素调节与植物形态变化之间的关系，为培育植物新品种，进行病虫试验和水肥试验等提供参考和指导。但是现阶段，大部分虚拟植物模型表现能力较弱且停留在仿真层次，对于花、果、根、叶等器官生长过程中形态的变化研究仍然不足。因为植物叶片是植物进行光合作用、蒸腾作用、以及营养传导的主要场所，对植物生长发育及作物产量等具有重要影响，所以本课题选定植物叶片作为研究对象，提出了基于功能特征的三维植物叶形构建方法，构建出体现植物叶片基本形态特征的虚拟植物叶片，并实现了对植物叶片生长过程中形态变化的模拟，达到在生理生态上模拟植物叶片自然生长过程的目标。为实现以上目标，本文以构建体现植物叶片基本形态特征的植物叶片轮廓为切入点，通过对功能特征的定义和提取、基于功能特征约束的三次B样条曲线构建叶片轮廓算法的提出、质点斜抛运动模型与双层质点－弹簧模型的结合，进行三维植物叶片生长模型构建的深入研究。本文的主要工作和创新点概括如下：1、基于对植物叶形特征数据的采集、分类和处理，把既可表现叶形又可描述叶形的空间特征在构建叶片轮廓模型中所起功能进行提取和定义，得到标识植物叶片轮廓的功能特征组合。将获取的功能特征作为建模算法的约束条件，增加了对叶片轮廓细致特征的描述。2、提出了基于功能特征约束的三次B样条曲线构建叶片轮廓算法，结合三次B样条曲线的特征，利用功能特征组合得到基本型值点，拟合出满足功能约束的、光顺的、逼近型值点的三次B样条曲线，并反求控制点，得到体现基本叶形特征的叶片轮廓模型，有效地提高了对叶片轮廓边缘的控制和交互调节。3、提出了基于时间功能特征的叶片动态生长模型的构建方法，针对植物叶片单一空间功能特征选取合适的生长方程进行参数拟合，得到在植物叶片生长周期内空间功能特征的变化规律模型，有效地反应了植物叶片生长过程中的形态变化。4、提出了基于物理模型的叶片形变方法，将叶形特征的变化与物理模型的关键特征映射结合，利用成熟物理模型的相关算法，实现对叶片模型的横向和纵向形变，增加了虚拟叶片的真实性。实验结果表明本课题的研究与创新可有效地反应植物叶片的形态特征和生长过程中叶片形态的动态变化，具有一定的实用性和发展前景。