一種植物掌狀葉片多尺度建模方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及計算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種植物掌狀葉片多尺度建模方法。
【背景技術(shù)】
[0002]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)都會有效益產(chǎn)生。
[0003]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)展的一個重要趨勢，虛擬農(nóng)業(yè)不但可以將農(nóng)業(yè)作物數(shù)字化，而且還能夠為科研者提供方便的交互性操作與觀察等，對于推動農(nóng)業(yè)發(fā)展有著巨大的作用。
[0004]近年來，隨著計算機(jī)硬件性能的不斷提高以及虛擬植物建模、景觀設(shè)計、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，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。
[0005]植物葉片按葉形可分為多種類型，例如玉米、水稻和小麥等植物具有長窄形葉片，黃瓜和葡萄等植物具有掌狀葉片，松樹具有針形葉片。針對具有不同形狀葉片的植物，對其葉片的幾何建模方法也不同，現(xiàn)有技術(shù)中有基于三維掃描數(shù)據(jù)開展的小麥葉片建模方法、有針對葉片枯萎的形態(tài)變化建模方法和有基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的植物葉片建模方法等，這些方法都能構(gòu)造出真實(shí)感較強(qiáng)的植物葉片幾何模型。但是上述方法無法控制植物葉片幾何模型的網(wǎng)格的尺度。而現(xiàn)有技術(shù)中有文獻(xiàn)采用重新網(wǎng)格化進(jìn)行幾何模型的網(wǎng)格化，不過該重新網(wǎng)格化存在尚不能在重構(gòu)多尺度網(wǎng)格的同時保持植物葉片本身的葉脈和葉片褶皺等特征。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的其中一個目的在于提供一種植物掌狀葉片多尺度建模方法及裝置，以解決現(xiàn)有技術(shù)中植物葉片幾何建模方法無法保持葉片葉脈和褶皺等特征的同時建立多尺度葉片網(wǎng)格模型構(gòu)建的技術(shù)問題。
[0007]為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，第一方面，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種植物掌狀葉片多尺度建模方法，包括以下步驟:
[0008]獲取掌狀葉片的多級葉片特征，該葉片特征包括:葉緣、褶皺、從葉基延伸至葉尖的一級葉脈、從一級葉脈延伸至葉緣的二級葉脈或者從二級葉脈發(fā)出的三級葉脈；
[0009]從該掌狀葉片的點(diǎn)云幾何模型中提取所述多級葉片特征的結(jié)構(gòu)化特征點(diǎn)，以獲取該掌狀葉片的葉緣特征線、褶皺特征線、一級葉脈特征線、二級葉脈特征線或者三級葉脈特征線；
[0010]離散上述葉緣特征線、裙皺特征線、一級葉脈特征線、二級葉脈特征線或者三級葉脈特征線;并以所述葉緣特征線為邊界構(gòu)建該掌狀葉片的參數(shù)化曲面；
[0011]根據(jù)不同采樣參數(shù)在所述參數(shù)化曲面上獲取不同網(wǎng)格尺度的結(jié)構(gòu)特征線采樣點(diǎn)集以及參數(shù)化曲面采樣點(diǎn)集；
[0012]按照所述多級葉片特征的拓?fù)潢P(guān)系，分別連接將每種尺寸對應(yīng)的結(jié)構(gòu)特征線采樣點(diǎn)以及參數(shù)化曲面采樣點(diǎn)以形成約束線;在上述約束線的基礎(chǔ)上獲取所述掌狀葉片的網(wǎng)格模型。
[0013]可選地，采用插值B樣條曲線擬合方法獲取該掌狀葉片的葉緣特征線、褶皺特征線、一級葉脈特征線、二級葉脈特征線或者三級葉脈特征線。
[0014]可選地，所述一級葉脈特征線、所述二級葉脈特征線和所述三級葉脈特征線包括起點(diǎn)，且所述二級葉脈特征線的起點(diǎn)位于所述一級葉脈特征線上，所述三級葉脈特征線的起點(diǎn)位于所述二級葉脈特征線上。
[0015]可選地，其特征在于，采用非均勻有理B樣條曲線NURBS方法構(gòu)建該掌狀葉片的參數(shù)化曲面。
[0016]可選地，獲取不同網(wǎng)格尺度的結(jié)構(gòu)特征線采樣點(diǎn)集的步驟中，包括:
[0017]所述采樣參數(shù)包括單元尺度1、松弛因子β和忽略因子α;
[0018]對結(jié)構(gòu)特征線進(jìn)行等弧長曲線采樣;若曲線弧長小于αΧ1，該曲線不進(jìn)行采樣。
[0019]可選地，獲取不同網(wǎng)格尺度的結(jié)構(gòu)特征線采樣點(diǎn)集以及參數(shù)化曲面采樣點(diǎn)集的步驟中，還包括:
[0020]當(dāng)不同曲線之間的采樣點(diǎn)距離較近時，采用松弛因子調(diào)節(jié)上述采樣點(diǎn)的關(guān)系；按照低級葉片特征到高級葉片特征的順序進(jìn)行松弛，且被松弛過的采樣點(diǎn)設(shè)置為固定點(diǎn)；其中低級葉片特征到高級葉片特征分別為葉緣、裙皺、一級葉脈、二級葉脈或者三級葉脈；
[0021]所述松弛因子β包括第一松弛因子扮和第二松弛因子β2;當(dāng)測試采樣點(diǎn)與固定點(diǎn)之間距離小于XI時，則直接刪除該測試采樣點(diǎn)；
[0022]當(dāng)測試采樣點(diǎn)與固定點(diǎn)之間距離大于氏XI且小于β2 X I時，則直接該測試采樣點(diǎn)，并在(βι+&)/2 X I處插入一個新點(diǎn)；
[0023]當(dāng)測試采樣點(diǎn)與固定點(diǎn)之間距離大于&Χ1時，該測試采樣點(diǎn)無需要松弛。
[0024]可選地，獲取不同網(wǎng)格尺度的結(jié)構(gòu)特征線采樣點(diǎn)集以及參數(shù)化曲面采樣點(diǎn)集的步驟中，采用波前法在所述參數(shù)化曲面上采樣獲取參數(shù)化曲面采樣點(diǎn)集。
[0025]可選地，通過以下步驟對所述獲取的參數(shù)化曲面采樣點(diǎn)集進(jìn)行校正，包括:
[0026]將采用波前法獲取的參數(shù)化曲面采樣點(diǎn)與點(diǎn)云幾何模型設(shè)置在同一坐標(biāo)系下；
[0027]當(dāng)波前法獲取一個新的參數(shù)化曲面采樣點(diǎn)時，在點(diǎn)云數(shù)據(jù)中尋找一個最近的點(diǎn)來替代該參數(shù)化曲面采樣點(diǎn)，以使所有參數(shù)化曲面采樣點(diǎn)位于點(diǎn)云幾何模型上。
[0028]可選地，采用帶約束的Delaunay三角剖分方法獲取所述掌狀葉片的網(wǎng)格模型。
[0029]第二方面，本發(fā)明實(shí)施例還提供了一種植物掌狀葉片多尺度建模裝置，包括:
[0030]葉片特征獲取模塊，用于獲取掌狀葉片的多級葉片特征，該葉片特征包括:葉緣、裙皺、從葉基延伸至葉尖的一級葉脈、從一級葉脈延伸至葉緣的二級葉脈或者從二級葉脈發(fā)出的三級葉脈；
[0031]特征線獲取模塊，用于從該掌狀葉片的點(diǎn)云幾何模型中提取所述多級葉片特征的結(jié)構(gòu)化特征點(diǎn)，以獲取該掌狀葉片的葉緣特征線、褶皺特征線、一級葉脈特征線、二級葉脈特征線或者三級葉脈特征線；
[0032]參數(shù)化曲面獲取模塊，用于離散上述葉緣特征線、褶皺特征線、一級葉脈特征線、二級葉脈特征線或者三級葉脈特征線;并以所述葉緣特征線為邊界構(gòu)建該掌狀葉片的參數(shù)化曲面；
[0033]采樣點(diǎn)集獲取模塊，用于根據(jù)不同采樣參數(shù)在所述參數(shù)化曲面上獲取不同網(wǎng)格尺度的結(jié)構(gòu)特征線采樣點(diǎn)集以及參數(shù)化曲面采樣點(diǎn)集；
[0034]多尺度網(wǎng)格模型獲取模塊，用于按照所述多級葉片特征的拓?fù)潢P(guān)系，分別連接將每種尺寸對應(yīng)的結(jié)構(gòu)特征線采樣點(diǎn)以及參數(shù)化曲面采樣點(diǎn)以形成約束線;在上述約束線的基礎(chǔ)上獲取所述掌狀葉片的網(wǎng)格模型。
[0035]本發(fā)明可以在保證葉脈特征的同時，構(gòu)建出多尺度的掌狀葉片網(wǎng)格模型，且網(wǎng)格數(shù)量可控;本發(fā)明適用于大規(guī)模植物場景的渲染，作物冠層光分布計算、植物冠層的碰撞檢測和響應(yīng)物理模擬等方面，在保證網(wǎng)格質(zhì)量可接受的前提下，可以通過降低網(wǎng)格數(shù)量大幅提升效率。
【附圖說明】
[0036]通過參考附圖會更加清楚的理解本發(fā)明的特征和優(yōu)點(diǎn)，附圖是示意性的而不應(yīng)理解為對本發(fā)明進(jìn)行任何限制，在附圖中:
[0037]圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的一種植物掌狀葉片多尺度建模方法流程圖；
[0038]圖2是本發(fā)明一實(shí)施例中提供的黃瓜葉片的多級葉片特征示意圖；
[0039]圖3?圖6是本發(fā)明一實(shí)施例中單元尺度分別為5mm、10mm、2 Omm和40mm時黃瓜葉片網(wǎng)格模型示意圖；
[0040]圖7是本發(fā)明實(shí)施例提供的一種植物掌狀葉片多尺度建模裝置框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0041]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。
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