虚拟作物以作物器官、个体和群体的形态结构为研究对象,在计算机上以可视化方式模拟作物在三维空间中的形态结构变化规律及生长发育过程,是对作物生长模拟的进一步深化和拓展,在科学研究、教学及生产管理等领域具有重要的现实意义和广泛的应用前景。本研究的目的是融合作物学、计算机图形学、虚拟现实等多学科的理论与技术,以小麦为对象,基于已有小麦生长模型与形态模拟模型,研究小麦器官几何建模、真实感绘制、群体三维重建与实时绘制等关键技术,进而基于Microsoft.Net平台构建作物可视化模型组件,开发了小麦生长可视化系统,为小麦品种株型设计、生产精确管理及调控等奠定技术基础。通过对小麦器官和个体形态特征的观测分析,利用三维建模技术,构建了基于形态特征参数的叶片、麦穗几何模型。基于NURBS曲面特性进行叶片建模与形变模拟；采用组合单器官的方式构建麦穗几何模型：用偏圆柱体模拟穗轴节片,用三角面片分别为基于麦芒曲线的麦芒与基于外麸曲线的外麸建模,用NURBS曲面为花药建模,用分层模型控制穗形,依据麦穗拓扑结构组合以上器官构建麦穗几何模型。综合实验室已有研究成果,结合小麦拓扑结构,构建了地上部与地下部器官耦合的小麦个体几何模型。最后,基于小麦形态模型输出的器官形态特征参数与植株拓扑结构构建了器官与个体的几何模型。以小麦器官和个体几何模型为基础,提出了颜色渲染、纹理映射、光照渲染及阴影渲染等真实感图形显示技术,并基于OpenGL图形库,实现了小麦器官与个体几何模型的渲染。颜色渲染与小麦形态模型中的叶色子模型相结合,能准确的反映整个生育期内小麦器官颜色的动态变化过程；综合品种、气象、水分、氮肥等因素,构建了器官纹理库,实现了器官表面细节信息的表达；基于OpenGL提供的光照模型,实现了一天中不同时刻光照效果的模拟；采用平面阴影算法,简单高效的实现了器官与个体的阴影渲染。实验结果表明,本研究提出的图形真实感显示技术算法高效,易于实现,绘制的小麦器官与个体具有较强的真实感效果。提出了一种基于多技术融合实现小麦群体生长实时绘制的方法。首先根据小麦群体形态建成规律,分析小麦群体生长过程中个体间的差异,确定个体实例化样本数量,并封装为树形显示列表；然后根据小麦器官几何模型的构建方法生成不同细节层次的小麦个体模型,根据视点、视角和视线来指导视域裁剪、空间的剖分以及细节层次的选取；并基于小麦个体可视化模型,实现了大规模小麦群体的实时绘制。实验结果表明,提出的群体可视化技术能准确表达小麦生长过程中的群体形态特征,具有较好的真实感和实时性。在气象资料、土壤特性、品种参数和栽培管理措施等基础数据的支持下,通过耦合小麦形态模型和可视化模型,基于Microsoft.Net平台,结合OpenGL图形库,利用组件接口编程技术,构建了小麦器官、个体与群体的可视化模型组件,开发了小麦生长可视化系统,从器官、个体到群体三个层面实现了不同生态环境、品种、栽培措施条件下小麦生长动态全过程的逼真模拟。研究结果表明,小麦生长可视化系统的建立和应用将有助于提升作物生长系统表达的数字化和可视化水平,可促进虚拟农业技术的发展。