專利名稱：一種基于球b樣條的植物葉片建模方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于球B樣條的植物葉片建模 方法。
背景技術(shù)：
農(nóng)業(yè)是中國國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)。農(nóng)業(yè)信息化是本世紀(jì)農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要標(biāo)志，也是農(nóng) 業(yè)現(xiàn)代化的重要組成部分。在農(nóng)業(yè)信息化實(shí)施過程中，農(nóng)業(yè)通過信息化可以獲得倍增效益。 信息業(yè)可以通過對(duì)農(nóng)業(yè)的信息軟硬件服務(wù)形成農(nóng)業(yè)信息產(chǎn)業(yè)，最終形成農(nóng)業(yè)與信息業(yè)雙贏 的良好局面。現(xiàn)代農(nóng)業(yè)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、流通等各個(gè)環(huán)節(jié)都離不開信息服務(wù)，農(nóng)業(yè)信息已經(jīng)涉及 到了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、流通的方方面面，加之信息本身的增效作用，使得農(nóng)業(yè)信息服務(wù)的各環(huán)節(jié)都 會(huì)有效益產(chǎn)生。隨著農(nóng)業(yè)信息化技術(shù)的快速發(fā)展，新興的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域也越來越多地 得到應(yīng)用，特別值得一提的是，虛擬農(nóng)業(yè)已經(jīng)成為我國農(nóng)業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)，虛擬農(nóng)業(yè) 不但可以將農(nóng)業(yè)作物數(shù)字化，而且還能夠?yàn)榭蒲姓咛峁┓奖愕慕换バ圆僮髋c觀察等，對(duì)于 推動(dòng)農(nóng)業(yè)發(fā)展有著巨大的作用。近年來，隨著計(jì)算機(jī)硬件性能的不斷提高以及虛擬植物建模、景觀設(shè)計(jì)、游戲等領(lǐng) 域的研究不斷深入，獲得高度真實(shí)的植物造型成為可能和必需，同時(shí)，植物形態(tài)的多樣性也 吸引了諸多的研究者。正是由于植物葉片具有復(fù)雜的生理特征、幾何形態(tài)和光學(xué)特性，因此 植物葉片的形態(tài)建模和可視化仍然是真實(shí)感自然景物模擬中最具挑戰(zhàn)的工作之一。在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中，通常用雙三次曲面對(duì)單個(gè)葉面建模。為達(dá)到一定的真實(shí)感，有 研究者通過對(duì)葉片模型進(jìn)行紋理貼圖或用光照材質(zhì)等方法來增加模型的視覺效果，但這些 方法往往具有一定的限制，或只能在一定距離處，或只能在一定的視角范圍內(nèi)才具有較好 的效果。雖然目前一些方法在虛擬植物模型或計(jì)算機(jī)視覺研究中得到了應(yīng)用，但由于大部 分方法都針對(duì)特定的植物，因此都不可避免地存在推廣性的問題，即這些方法都很難適用 于其他植物葉片的形態(tài)建模。因此，研究一種適合于多數(shù)植物葉片的精細(xì)建模方法非常有 必要。另一方面，葉脈作為葉片的主要組成部分，不僅對(duì)葉片起到了形態(tài)支撐的作用，而且 也是植物中水分和光合作用產(chǎn)物等物質(zhì)運(yùn)輸?shù)耐ǖ溃虼?，?duì)葉脈進(jìn)行細(xì)致的模擬也有著 重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是建立具有較高真實(shí)感的植物葉片三維模型。( 二 )技術(shù)方案為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種基于球B樣條的植物葉片建模方法，包括以下步驟Sl 對(duì)待建模葉片進(jìn)行葉脈分析，選取待建模葉脈；
S2 測(cè)量葉片三維形態(tài)信息，所述葉片三維形態(tài)信息包括待建模葉脈上至少測(cè) 量4個(gè)特征點(diǎn)位置信息、所述特征點(diǎn)對(duì)應(yīng)的厚度信息和葉邊緣特征點(diǎn)的位置信息；S3 根據(jù)所述步驟S2中葉片三維形態(tài)信息采用插值型球B樣條進(jìn)行葉脈建模，插 值型球B樣條公式如下
<formula>formula see original document page 4</formula>控制球的球心Pi為所述葉脈特征點(diǎn)的位置，控制球的直徑2ri為所述葉脈對(duì)應(yīng)特 征點(diǎn)處的葉脈厚度，逐條葉脈建模完成后，將所有葉脈模型拼接起來，得到整個(gè)葉片的葉脈 模型，其中，Ut)為ρ次B樣條基函數(shù)，t為參數(shù)，i為求和下標(biāo)，η為基函數(shù)個(gè)數(shù)；S4 根據(jù)所述葉片三維形態(tài)信息利用B樣條曲面進(jìn)行葉面建模，得到葉面模型，所 述曲面邊界限制在葉邊緣，B樣條曲面公式如下
<formula>formula see original document page 4</formula>S5:將所述葉脈模型與所述葉面模型的特征點(diǎn)位置重合，得到完整的葉片三維模 型，其中，Niik(U)為k次B樣條基函數(shù)，i，j為求和下標(biāo)，m，η分別為兩組B樣條基函數(shù)的 個(gè)數(shù)，u，w為參數(shù)，Pij為葉脈和葉邊緣特征點(diǎn)位置。其中，所述步驟Sl中選取的待建模葉脈為主葉脈和次級(jí)葉脈，或相對(duì)葉片具有3 倍以上厚度的葉脈，所述主葉脈為長在葉柄上的葉脈，所述次級(jí)葉脈為長在主葉脈上的葉 脈。其中，所述步驟S2包括測(cè)量前在葉片上選好測(cè)量點(diǎn)；對(duì)所述測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記；利用三維數(shù)字化儀或三維掃描儀逐個(gè)測(cè)量所述標(biāo)記的測(cè)量點(diǎn)，將所述測(cè)量點(diǎn)作為 葉片的特征點(diǎn)。(三)有益效果本發(fā)明的基于球B樣條的植物葉片建模方法為植物葉片的精細(xì)幾何建模提供一 種靈活的方法，能夠以一種相同的描述方法來生成具有明顯葉脈特征的植物葉片三維模 型；該方法具有實(shí)時(shí)性，可與參數(shù)化植物建模相關(guān)聯(lián)，生成的植物葉片三維模型具有較高的 真實(shí)感。


圖1為本發(fā)明的一種基于球B樣條的植物葉片建模方法的流程圖；圖2為本發(fā)明針對(duì)某一葉片所確定的葉脈示例圖；圖3為本發(fā)明實(shí)施例對(duì)煙草葉片的標(biāo)記示例圖；圖4為本發(fā)明實(shí)施例所構(gòu)造的煙草葉脈模型；圖5為本發(fā)明實(shí)施例所構(gòu)造的煙草葉片模型；圖6為本發(fā)明實(shí)施例所構(gòu)造的精細(xì)煙草葉片三維模型；圖7為應(yīng)用本發(fā)明實(shí)施例所構(gòu)造的煙草葉片模型來構(gòu)造的煙草植株三維模型。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提出的基于球B樣條的植物葉片建模方法，結(jié)合附圖和實(shí)施例說明如下。如圖1所示，本發(fā)明的基于球B樣條的植物葉片建模方法，包括以下步驟步驟Si，對(duì)待建模葉片進(jìn)行葉脈分析，選取待建模葉脈。其中，植物的葉片脈序一般分為網(wǎng)狀脈與平行脈兩種基本類型，但其葉脈都可以按照生長位置進(jìn)行分級(jí)，次級(jí)葉脈 的生長點(diǎn)位于上一級(jí)葉脈上，如圖2所示。待建模葉脈選取主葉脈和次級(jí)葉脈，或相對(duì)葉片 具有一定厚度的葉脈，優(yōu)選為葉片厚度的3倍以上厚度的葉脈。其中，主葉脈為長在葉柄上 的葉脈，次級(jí)葉脈為長在主葉脈上的葉脈。步驟S2，測(cè)量葉片主要三維形態(tài)信息，測(cè)量前在葉片上選好測(cè)量點(diǎn)，對(duì)所述測(cè)量點(diǎn) 進(jìn)行標(biāo)記，在不損壞葉片的情況下，利用三維數(shù)字化儀或三維掃描儀逐個(gè)測(cè)量所述標(biāo)記的 測(cè)量點(diǎn)，將所述測(cè)量點(diǎn)作為葉片的特征點(diǎn)。其中，三維形態(tài)信息包括待建模葉脈上測(cè)量的 特征點(diǎn)位置信息、所述特征點(diǎn)對(duì)應(yīng)的厚度信息和葉邊緣特征點(diǎn)的位置信息。根據(jù)葉脈形態(tài) 的復(fù)雜程度，每條葉脈上至少測(cè)量4個(gè)特征點(diǎn)位置信息。步驟S3，根據(jù)所述葉片三維形態(tài)信息利用球B樣條對(duì)逐條葉脈進(jìn)行建模，所采用 的插值型球B樣條公式如下
η<B>{f) = hp{t) <Pt ； η> = l,2...n, t e
；
i=0 ‘插值時(shí)控制球的球心Pi為所述葉脈特征點(diǎn)的位置，控制球的直徑為所述葉脈 對(duì)應(yīng)特征點(diǎn)處的葉脈厚度，逐條葉脈建模完成后，將所有葉脈模型拼接起來，得到整個(gè)葉片 的葉脈模型，其中，Ni,p (t)為ρ次B樣條基函數(shù)，t為參數(shù)，i為求和下標(biāo)，η為基函數(shù)個(gè)數(shù)；步驟S4，根據(jù)所述葉片三維形態(tài)信息利用B樣條曲面進(jìn)行葉面建模，得到葉面模 型，插值時(shí)，以葉脈特征點(diǎn)和葉邊緣點(diǎn)為插值點(diǎn)，曲面邊界限制在葉邊緣，B樣條曲面公式如 下<formula>formula see original document page 5</formula>步驟S5，將所述葉脈模型與所述葉面模型的特征點(diǎn)位置重合，得到完整的葉片三 維模型，其中，Niik(U)為k次B樣條基函數(shù)，i，j為求和下標(biāo)，m，η分別為兩組B樣條基函 數(shù)的個(gè)數(shù)，u, w為參數(shù)，Pij為葉脈和葉邊緣特征點(diǎn)位置。實(shí)施例1下面以煙草葉片為實(shí)施例進(jìn)行進(jìn)一步說明，具體步驟如下根據(jù)步驟Sl，對(duì)待建模煙草葉片進(jìn)行葉脈分析，選取待建模的葉脈。煙草葉脈主要 由一條主葉脈和若干條一級(jí)次葉脈構(gòu)成，考慮到煙草葉片的厚度關(guān)系，不對(duì)二級(jí)以下葉脈 進(jìn)行建模。根據(jù)步驟S2，在煙草葉片上選取葉脈測(cè)量點(diǎn)和葉邊緣測(cè)量點(diǎn)，對(duì)預(yù)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行標(biāo) 記，如圖3，借助于FASTSCAN手持式三維掃描儀，測(cè)量標(biāo)記點(diǎn)的位置信息，用游標(biāo)卡尺測(cè)量 葉脈標(biāo)記點(diǎn)的厚度值，將測(cè)量信息按照一定格式存入規(guī)定格式的模板文件中。這些測(cè)量點(diǎn) 作為煙草葉脈和葉邊緣的特征點(diǎn)。根據(jù)步驟S3，讀取模板文件中的葉脈特征點(diǎn)數(shù)據(jù)(位置和厚度)，采用插值型球B樣條對(duì)煙草葉脈進(jìn)行建模，球B樣條公式如下
<formula>formula see original document page 6</formula>記一條煙草葉脈上的特征點(diǎn)分別為Pp Pp P2、P3,相應(yīng)特征點(diǎn)處的厚度分別為2r。、 2ri、2r2、2r3，根據(jù)特征點(diǎn)位置，可求得3次插值型B樣條基函數(shù)NciJt)，Nlj3 (t)，N2,3(t)，N3, 3(t)(樣條曲線相關(guān)書中都有)，將參數(shù)PQ，P1, P2, P3和rQ，ri; r2, r3以及4個(gè)基函數(shù)代入到 球B樣條公式中即可得到煙草葉脈模型。在插值時(shí)，球的球心Pi為葉脈特征點(diǎn)的位置，控 制球的直徑2ri為對(duì)應(yīng)葉脈特征點(diǎn)處的葉脈厚度，逐條葉脈建模完成后，將其拼接起來，得 到整個(gè)煙草葉片的葉脈模型，建模后的煙草葉脈模型如圖4所示。根據(jù)步驟S4,讀取模板文件中的葉脈特征點(diǎn)和葉面特征點(diǎn)數(shù)據(jù)，以葉脈特征點(diǎn)和 葉邊緣點(diǎn)為插值點(diǎn)，葉邊緣為邊界，根據(jù)以下B樣條曲面公式得到到煙草葉面模型，如圖5 所示。
<formula>formula see original document page 6</formula>在插值時(shí)，將mXn個(gè)控制頂點(diǎn)(特征點(diǎn)作為控制頂點(diǎn))Pij (i =0,1, . . . , m ； j = 0,1, ...，η)寫成mXn階矩陣形式，利用每一行的控制頂點(diǎn)可求取一個(gè)以u(píng)為參數(shù)的B樣 條基函數(shù)Ni, k(u)，共得到m個(gè)；利用每一列的控制頂點(diǎn)可求取一個(gè)以w為參數(shù)的B樣條基 函數(shù) ，l(w)，共得到η個(gè)；將得到的基函數(shù)與控制頂點(diǎn)代入公式中，即可得到煙草葉面模型。根據(jù)步驟S5，得到了煙草葉面模型及煙草葉脈模型后，將模型中共同的特征點(diǎn)位 置重合，合成得到具有較高真實(shí)感的煙草葉片三維模型，如圖6所示。圖7給出了利用此方 法構(gòu)造的煙草某時(shí)期的植株模型。本發(fā)明可以廣泛的用于其它不同植物葉片的建模。以上實(shí)施方式僅用于說明本發(fā)明，而并非對(duì)本發(fā)明的限制，有關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的普通 技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變化和變型，因此所有 等同的技術(shù)方案也屬于本發(fā)明的范疇，本發(fā)明的專利保護(hù)范圍應(yīng)由權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
一種基于球B樣條的植物葉片建模方法，其特征在于，包括以下步驟S1對(duì)待建模葉片進(jìn)行葉脈分析，選取待建模葉脈；S2測(cè)量葉片三維形態(tài)信息，所述葉片三維形態(tài)信息包括待建模葉脈上至少測(cè)量4個(gè)特征點(diǎn)位置信息、所述特征點(diǎn)對(duì)應(yīng)的厚度信息和葉邊緣特征點(diǎn)的位置信息；S3根據(jù)所述步驟S2中葉片三維形態(tài)信息采用插值型球B樣條進(jìn)行葉脈建模，插值型球B樣條公式如下 <mrow><mo>&lt;</mo><mi>B</mi><mo>></mo><mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><munderover> <mi>&Sigma;</mi> <mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>0</mn> </mrow> <mi>n</mi></munderover><msub> <mi>N</mi> <mrow><mi>i</mi><mo>,</mo><mi>p</mi> </mrow></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>&lt;</mo><msub> <mi>P</mi> <mi>i</mi></msub><mo>;</mo><msub> <mi>r</mi> <mi>i</mi></msub><mo>></mo> </mrow>i＝1，2...n，t∈
插值時(shí)，控制球的球心Pi為所述葉脈特征點(diǎn)的位置，控制球的直徑2ri為所述葉脈對(duì)應(yīng)特征點(diǎn)處的葉脈厚度，逐條葉脈建模完成后，將所有葉脈模型拼接起來，得到整個(gè)葉片的葉脈模型，其中，Ni，p(t)為p次B樣條基函數(shù)，t為參數(shù)，i為求和下標(biāo)，n為基函數(shù)個(gè)數(shù)；S4根據(jù)所述葉片三維形態(tài)信息采用插值型B樣條曲面進(jìn)行葉面建模，得到葉面模型，插值時(shí)以葉脈特征點(diǎn)和葉邊緣點(diǎn)為插值點(diǎn)，曲面邊界限制在葉邊緣，B樣條曲面公式如下 <mrow><mi>P</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>u</mi> <mo>,</mo> <mi>w</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><munderover> <mi>&Sigma;</mi> <mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>0</mn> </mrow> <mi>m</mi></munderover><munderover> <mi>&Sigma;</mi> <mrow><mi>j</mi><mo>=</mo><mn>0</mn> </mrow> <mi>n</mi></munderover><msub> <mi>N</mi> <mrow><mi>i</mi><mo>,</mo><mi>k</mi> </mrow></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>u</mi> <mo>)</mo></mrow><msub> <mi>N</mi> <mrow><mi>j</mi><mo>,</mo><mi>l</mi> </mrow></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>w</mi> <mo>)</mo></mrow><msub> <mi>P</mi> <mi>ij</mi></msub><mo>;</mo> </mrow>S5將所述葉脈模型與所述葉面模型的特征點(diǎn)位置重合，得到完整的葉片三維模型，其中，Ni，k(u)為k次B樣條基函數(shù)，i，j為求和下標(biāo)，m，n分別為兩組B樣條基函數(shù)的個(gè)數(shù)，u，w為參數(shù)，Pij為葉脈和葉邊緣特征點(diǎn)位置。
2.如權(quán)利要求1所述的基于球B樣條的植物葉片建模方法，其特征在于，所述步驟S1 中選取的待建模葉脈為主葉脈和次級(jí)葉脈，或相對(duì)葉片具有3倍以上厚度的葉脈，所述主 葉脈為長在葉柄上的葉脈，所述次級(jí)葉脈為長在主葉脈上的葉脈。
3.如權(quán)利要求1所述的基于球B樣條的植物葉片建模方法，其特征在于，所述步驟S2 包括測(cè)量前在葉片上選好測(cè)量點(diǎn)；對(duì)所述測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記；利用三維數(shù)字化儀或三維掃描儀逐個(gè)測(cè)量所述標(biāo)記的測(cè)量點(diǎn)，將所述測(cè)量點(diǎn)作為葉片 的特征點(diǎn)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于球B樣條的植物葉片建模方法，包括對(duì)待建模葉片進(jìn)行葉脈分析，選取待建模葉脈；測(cè)量葉片三維形態(tài)信息，所述葉片三維形態(tài)信息包括待建模葉脈上至少測(cè)量4個(gè)特征點(diǎn)位置信息、所述特征點(diǎn)對(duì)應(yīng)的厚度信息和葉邊緣特征點(diǎn)的位置信息；根據(jù)所述葉片三維形態(tài)信息采用插值型球B樣條進(jìn)行葉脈建模；根據(jù)所述葉片三維形態(tài)信息采用插值型B樣條曲面進(jìn)行葉面建模；將所述葉脈模型與所述葉面模型的特征點(diǎn)位置重合，得到完整的葉片三維模型。本發(fā)明的方法具有實(shí)時(shí)性，可與參數(shù)化植物建模相關(guān)聯(lián)，生成的植物葉片三維模型具有較高的真實(shí)感。
文檔編號(hào)G06T17/00GK101833787SQ20101014740
公開日2010年9月15日 申請(qǐng)日期2010年4月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月13日
發(fā)明者溫維亮, 肖伯祥, 趙春江, 郭新宇, 陸聲鏈 申請(qǐng)人:北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心