專利名稱：基于材質(zhì)模型模擬植物葉片表觀變化的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及計算機圖形學、實時真實感繪制、植物行為仿真結(jié)合的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于植物葉片表觀材質(zhì)模型模擬植物葉片表觀變化的方法。
背景技術(shù)：
近幾年，隨著農(nóng)業(yè)信息化技術(shù)的不斷發(fā)展，三維動畫逐漸成為農(nóng)業(yè)知識科普和技術(shù)培訓的一項重要手段。面向農(nóng)業(yè)的三維動畫，不僅需要具有逼真的視覺效果，同時還需正確地展現(xiàn)農(nóng)業(yè)知識，因此，如何將三維視覺效果與農(nóng)業(yè)知識進行縝密的結(jié)合就成為了一種亟待解決的問題。葉片是植物最重要的器官之一，作為植物主要的光合器官，葉片對植物的生理意義不言而喻；同時，從視覺的角度分析，葉片對植物的形態(tài)構(gòu)成、表觀材質(zhì)建成也具 有重要意義。目前對于葉片的渲染方法中多采用基于物理的材質(zhì)模型，如基于BSSRDF的材質(zhì)模型[1、2]及基于BRDF+BTDF的材質(zhì)模型[3]，兩類模型均考慮了光與葉片表面及葉片內(nèi)部之間的反射、折射等物理作用，達到了較好的真實感效果。Zhou等提出了一種基于色素含量的葉色模擬方法[4]，可以實現(xiàn)不同色素下的葉片顏色變化。從本質(zhì)上講，葉片表觀是由其內(nèi)部機理決定的，同時又受到外部環(huán)境的影響，目前，大多數(shù)植物的真實感渲染算法[1，2，3]往往只單純地注重葉片材質(zhì)與光的物理作用，并沒有考慮葉片結(jié)構(gòu)以及葉片內(nèi)在生理機能對葉片材質(zhì)的影響，這些模型的參數(shù)多為散射系數(shù)、吸收系數(shù)等物理參數(shù)，因此很難應用于農(nóng)業(yè)研究中；同時，這類方法只能獲得單一時刻葉片的表觀，不能實現(xiàn)葉片老化時的葉片表觀變化。Zhou等的方法[4]以色素含量為生理因子進行驅(qū)動，與農(nóng)業(yè)研究可以進行整合，并且通過對色素含量的調(diào)控進行葉色老化的模擬，但是，其方法忽略了對葉片結(jié)構(gòu)特征的描述，不能夠模擬葉片的高光反射、透射、空間異質(zhì)性等重要表觀特征，真實感效果較差。上面提到的參考文獻如下[I] Franzke O, Deussen O. Rendering plant leavesfaithfulIy:SIGGRAPH' 03，New York, NY, USA,2003[C]. ACM.[2]Donner C, Jensen H ff. Light diffusion in multi-layeredtranslucentmaterials:ACM SIGGRAPH 2005 Papers, Los Angeles, California, 2005[C]. ACM.[3] Wang L, Wang W, Dorsey J, et al. Real-time rendering ofplantleaves:SIGGRAPH’ 06，New York, NY, USA,2006 [C]. ACM.[4]Zhou N, Dong ff, Mei X. Realistic Simulation of SeasonalVariant Maples:PMA' 06, Washington, DC, USA, 2006[C]. IEEEComputer Society.

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)問題是如何設(shè)計一種既能夠?qū)崿F(xiàn)空間異質(zhì)的葉片反射、透射表觀特性建模，同時還可進行空間變化及時間變化特征的模擬的植物葉片表觀模型。
(二)技術(shù)方案為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種基于材質(zhì)模型模擬植物葉片表觀變化的方法，包括以下步驟SI、將植物葉片分為四層結(jié)構(gòu)，分別為上表皮層、柵欄組織層、海綿組織層以及下表皮層;S2、根據(jù)所述四層結(jié)構(gòu)，建立植物葉片表觀材質(zhì)模型；S3、通過調(diào)控葉片色素的分布利用所述模型模擬植物葉片表觀在空間上的差異現(xiàn)象；S4、通過對色素的變化速率進行調(diào)控利用所述模型模擬植物葉片表觀在時間上(隨生育進程)的變化現(xiàn)象。 優(yōu)選地，步驟S3、S4的執(zhí)行順序可以互換。優(yōu)選地，所述生理因子包括色素和葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)。優(yōu)選地，所述色素包括葉綠素和胡蘿卜素。優(yōu)選地,步驟S2具體包括S21、利用葉片的折射系數(shù)和表面粗糙度計算葉片的高光反射分量frdiff ；S22、基于植物葉片的生理因子計算葉片的漫反射分量frdiff ；S23、利用步驟S21、S22的計算結(jié)果分別利用BRDF模型和BTDF模型構(gòu)建所述材質(zhì)模型。優(yōu)選地，步驟S21中，根據(jù)上表皮層和下表皮層對光的高光反射量計算葉片的高
光反射分量frspec;。優(yōu)選地，步驟S22中，根據(jù)柵欄組織層和海綿組織層對光的反射量和透射量計算葉片的漫反射分量frdiff。優(yōu)選地，步驟S3中，針對所述柵欄組織層，通過調(diào)控葉片的葉綠素和胡蘿卜素兩種色素的分布模擬植物葉片表觀在空間上的差異現(xiàn)象。優(yōu)選地，步驟S4中，利用色素變化速率紋理進行對色素的變化速率的調(diào)控，所述色素變化速率紋理的像素表示葉片在各個點的色素變化速率的比例值，所述色素變化速率紋理為灰度變化紋理。(三)有益效果上述技術(shù)方案具有如下優(yōu)點通過充分考慮了葉片的結(jié)構(gòu)以及色素等影響葉片表觀的生理因子對葉片材質(zhì)的作用進行建模，所建立的材質(zhì)模型不僅實現(xiàn)了空間異質(zhì)的葉片反射、透射表觀特性建模，同時還可進行空間變化及時間變化特征的模擬。


圖I是本發(fā)明的方法流程圖；圖2示出了不同葉綠素含量下的黃瓜葉片顏色變化，(a)chl=50 ;(b)chl=30 ;(c)chl=10 ； (d)chl=0 ；圖3示出了不同葉綠素含量下的黃瓜顏色空間變化，(a)灰度紋理；(b) Chlmax=50 ；(c) chi隱=30 ； (d) Chlmax=O ；圖4示出了結(jié)合空間變化及速率變化差異的黃瓜葉片顏色變化；(a) t=0 ;(b)t=50 ; (c) t = 350 ； (d) t = 1120 ；圖5示出了植物葉片正反面顏色特征對比；(a)黃瓜葉片反面；(b)黃瓜葉片正反面對比；(C)玉米葉片反面；⑷玉米葉片正反面對比；圖6示出了黃瓜葉片缺鋅癥模擬效果；圖7示出了黃瓜葉片缺硼癥狀模擬效果；圖8示出了黃瓜葉片錳過剩癥狀模擬效果；圖9示出了黃瓜葉片缺鎂癥狀模擬效果；圖10示出了玉米葉片反射、透射效果；(a)為真實拍攝的圖像；(b)為本發(fā)明渲染的效果；(C)為局部放大的效果；圖11示出了玉米葉片老化時，正反面的表觀變化效果。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明的具體實施方式
作進一步詳細描述。以下實施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。如圖I所示，本發(fā)明的方法包括以下步驟SI)抽象葉片內(nèi)部結(jié)構(gòu)根據(jù)葉片結(jié)構(gòu)及光學特性，將植物葉片分為四層結(jié)構(gòu)，分別為上表皮層、柵欄組織層、海綿組織層以及下表皮層。其中上表皮層和下表皮層產(chǎn)生高光反射，而柵欄組織層、海綿組織層包含葉綠素及胡蘿卜素，主要產(chǎn)生漫反射。本發(fā)明對表皮的高光反射采用Cook-Torrance模型進行建模,該模型通過部分研究證明能夠很好地描述葉片的反射特性，由于下表皮相對于上表皮多了一層膜結(jié)構(gòu)，本發(fā)明認為下表皮的高光反射強度更大。將柵欄組織及海綿組織均看成是多層的半透明平板，兩者的區(qū)別在于其內(nèi)部色素(葉綠素及胡蘿卜素)的濃度以及色素分布方式不同，本發(fā)明認為柵欄組織內(nèi)部色素較多，并且假設(shè)色素的分布具有局部均勻、整體不均勻的特點，而對于海綿組織，認為其空間分布稀疏且較均勻，色素含量較少。S2)根據(jù)所述四層結(jié)構(gòu)，建立植物葉片表觀材質(zhì)模型。本發(fā)明采用BRDF+BTDF(BRDF模型用fr表示，BTDF模型用ft表示)的形式對葉片表觀材質(zhì)進行建模，下面對模型的不同部分進行單獨說明。BRDF的形式如公式(I),其中frdiff表示漫反射分量，frspe。表示高光反射分量。
權(quán)利要求
1.一種基于材質(zhì)模型模擬植物葉片表觀變化的方法，其特征在于，包括以下步驟 51、將植物葉片分為四層結(jié)構(gòu)，分別為上表皮層、柵欄組織層、海綿組織層以及下表皮層； 52、根據(jù)所述四層結(jié)構(gòu)，建立植物葉片表觀材質(zhì)模型； 53、通過調(diào)控葉片色素的分布利用所述模型模擬植物葉片表觀在空間上的差異現(xiàn)象； 54、通過對色素的變化速率進行調(diào)控利用所述模型模擬植物葉片表觀在時間上的變化現(xiàn)象。
2.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，步驟S3、S4的執(zhí)行順序可以互換。
3.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述生理因子包括色素和葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述色素包括葉綠素和胡蘿卜素。
5.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，步驟S2具體包括 521、利用葉片的折射系數(shù)和表面粗糙度計算葉片的高光反射分量frdiff； 522、基于植物葉片的生理因子計算葉片的漫反射分量frdiff； 523、利用步驟S21、S22的計算結(jié)果分別利用BRDF模型和BTDF模型構(gòu)建所述植物葉片表觀材質(zhì)模型。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，步驟S21中，根據(jù)上表皮層和下表皮層對光的高光反射量計算葉片的高光反射分量fr_。。
7.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，步驟S22中，根據(jù)柵欄組織層和海綿組織層對光的反射量和透射量計算葉片的漫反射分量frdiff。
8.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，步驟S3中，針對所述柵欄組織層，通過調(diào)控葉片色素的分布模擬植物葉片表觀在空間上的差異現(xiàn)象。
9.如權(quán)利要求Γ8中任一項所述的方法，其特征在于，步驟S4中，利用色素變化速率紋理進行對色素的變化速率的調(diào)控，所述色素變化速率紋理的像素表示葉片在各個點的色素變化速率的比例值，所述色素變化速率紋理為灰度變化紋理。
全文摘要
本發(fā)明涉及計算機圖形學、實時真實感繪制、植物行為仿真結(jié)合的技術(shù)領(lǐng)域，公開了一種基于材質(zhì)模型模擬植物葉片表觀變化的方法，包括以下步驟S1、將植物葉片分為四層結(jié)構(gòu)，分別為上表皮層、柵欄組織層、海綿組織層以及下表皮層；S2、針對所述四層結(jié)構(gòu)，基于植物葉片的生理因子構(gòu)建材質(zhì)模型；S3、通過調(diào)控葉片色素的分布模擬植物葉片表觀在空間上的差異現(xiàn)象；S4、通過對色素的變化速率進行調(diào)控模擬植物葉片表觀在時間上的變化現(xiàn)象。本發(fā)明通過充分考慮葉片的結(jié)構(gòu)以及色素等影響葉片表觀的生理因子對葉片材質(zhì)的作用進行建模，不僅實現(xiàn)了空間異質(zhì)的葉片反射、透射表觀特性建模，同時還可進行空間變化及時間變化特征的模擬。
文檔編號G06T15/10GK102867324SQ201210226679
公開日2013年1月9日 申請日期2012年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月29日
發(fā)明者郭新宇, 陸聲鏈, 苗騰, 王傳宇, 吳升 申請人:北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心