虚拟植物可视化技术的研究,是虚拟农业研究的重要组成部分;在数字农业、大型自然场景仿真系统、虚拟娱乐、科研、教育等诸多领域具有很高的应用价值。植物的建模表示与真实感绘制一直是计算机图形学领域研究的热点和难点之一。而对于植物这一形态各异、结构复杂的对象,其生长和变化往往蕴含着错综复杂的动力学和生物学规律与机理。相对于植物结构模型的研究,植物器官动态建模的研究较少见到;基于图像和生物学原理的器官建模具有重要的研究价值。本文基于图形图像技术、动力学和生物学原理,从植物的表达模型出发,研究了如何模拟生理机制驱动下的植物器官生长建模,力求在形态真实感以及绘制效率之间取得较好的平衡,以满足虚拟植物器官动态展示的需要。在分析了植物模型的基本概念和常用虚拟植物建模方法后,给出了一种基于多尺度分析的虚拟植物分枝结构三维自动重建方法。首先建立控制分枝结构生长的二维层次自动机模型。对同种植物不同植株生长单元和叶元两级组织的形态和几何数据进行采样,用隐马尔可夫树分析生长单元的统计特征及转移关系,隐状态标记具有不同统计特征的各类生长单元,并采用半马尔可夫链描述产生各类生长单元的叶元序列。多尺度分析结果作为二维层次自动机模型的参数,自动控制三维重建过程。最后提出了通过对植物采样数据分析自动生成L系统的方法,使得特定植物的生长规律可以由基于数据统计的方法自动生成。论文提出了利用基于粒子群的搜索算法确定B样条曲线插值所需的控制参数的方法,实现了植物器官轮廓线的拟合。搜索过程中采用了多目标优化策略,从而使得所拟合的曲线既能较好的逼近原始轮廓线又能够达到平滑的效果。同时通过建立辅助存储空间保存粒子群的历史非劣最优解,并计算最优解之间的距离保持解的多样性以防止粒子群算法的过早收敛;采用分治与递归的思想调整了粒子的内部结构,提高了计算B样条曲线节点参数的灵活度,达到了多分辨率插值的效果。论文提出一种利用反馈控制系统实现生理参数多尺度变化从而驱动叶片生长变形的算法。首先采用二维层次自动机产生植物各器官的分枝结构,通过扰动函数实现生理参数与植物生长刺激的互动。其次植物生长刺激在修改各器官内部细节的同时也实现了对外部环境参数的影响,外部环境参数的变化反过来又实现了对器官分枝结构的剪枝。然后在渠化管网假设基础上利用反应-扩散原理实现叶脉纹理的变化,最后通过可控网格面的卷曲实现叶片的三维形变。仿真实验表明本方法能够较好的模拟植物叶片的纹理和形状随生理参数改变而变化的过程。论文在深入分析Prusinkiewicz等利用参数L系统和语义相关L系统模拟植物的连续生长过程的基础上,提出了一个花开解决方案:以Bézier曲面的方法建立花的几何模型,如花瓣、萼片等,以环境交互的L-system将这些Bézier曲面组合起来,展现花开完整的生长过程,建立了符合生物学原理的动态生长模型。最后提出了一种基于参数化曲线方程的植物果实造型方法,并在该造型方法的基础上,针对果实生长变化问题,提出了在参数方程上叠加扰动函数的解决方法。并通过三维Morphing建立了两个已有果实模型间的渐变模型,从而弥补了参数化模型变形缺乏目的性的不足。