CN101639945A - 园艺植物几何造型建模方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种园艺植物几何造型建模方法及系统。该方法包括步骤：采用骨架作为植物器官的几何表示，并从骨架中生成该器官的网格曲面模型；设置植物形态结构的特征参数，并根据设置的特征参数生成植物的三维拓扑结构；对所述植物的三维拓扑结构进行结构和细节调整。根据本发明所提供的园艺植物几何造型建模方法，用户可设置植物植株的节间个数、主茎长度等特征参数，基于这些特征参数，产生一个初始的园艺植物三维模型，用户可以对所生成的植物造型的空间姿态进行交互式的调整，此外用户可对每个器官进行细微的编辑，所有修改操作均可得到实时反馈。

Description

园艺植物几何造型建模方法及系统

技术领域

本发明涉及计算机图形学中的三维建模技术领域，特别是涉及一种园艺植物几何造型建模方法及系统。

背景技术

自然景物的模拟是计算机图形学的一个主要的分支。植物形态的多样性和不规则性使得利用计算机生成逼真的植物模型是一个巨大的挑战。目前，三维植物建模的目的主要来自两个方面：一是农林植物研究上的需要，目的是在计算机上描述和可视化真实植物的生长和发展过程，强调所生成的植物形态结构应该遵循植物自身的生理过程；另一个是仅仅创造视觉上令人满意的植物形态，这方面的需要大部分来自于图形算法研究，以及景观设计、计算机动画、游戏等应用领域。

植物形态建模的开创性工作首先由Lindenmayer开启，他提出了著名的L-系统——一个描述植物拓扑结构的通用方法。随后，Smith和Prusinkiewicz等人为L-系统的完善和普及做了大量的工作，并开发了一个基于L-系统的三维植物建模软件L-studio。L-studio为利用L-系统模拟植物的结构和生长过程提供了一个可视化框架，大大减轻了使用L-系统的不便。L-studio为模拟植物生长提供了强大的功能，但由于L-系统的抽象性，难以直接控制所生成的植物模型，此外，L-studio提供的器官造型的细节描述不足，真实感有待增强，这方面的研究近年来仍在继续。

为满足景观设计、游戏等领域对逼真的植物模型的需要，德国Lintermann等人提出了基于组件式的三维植物结构交互式设计的概念，在他们的方法中，每个植物器官都是一个组件，每个组件都有一组参数，用来控制和调整器官的大小和形状。植物的拓扑结构和形态则通过组合器官组件构成。他们利用这种思想开发了植物建模软件Xfrog，该软件除了能够交互地设计各种植物的形态结构外，还可以通过中间帧插值的方法实现植物生长的动画模拟。不过，Xfrog主要应用于树类植物，因此在器官细节的描述上也有待增强。针对树木结构模拟的研究还有很多，包括静态的形态和动态运动，尤其是树木在风中的运动。近年来，随着计算机硬件技术的快速提高，模拟照片级的植物形态成为可能。这部分研究主要是植物器官尺度上的详细描述和真实感渲染。

值得注意的是，到目前为止已经有了很多针对树木结构的建模方法，由于树木往往比较高大，树木建模的重点在于分枝结构和整体形态，而非器官细节。尽管园艺植物生长模拟的研究近年来也获得了越来越多的关注，但这部分研究主要以生理功能模拟为主，数值的正确性是最重要的目标，而非视觉的真实性，因此，在这些模型中器官造型往往用很少的几个多边形表示。而在园艺植物形态结构交互式设计方面，目前仍然没有通用的方法和软件工具。

发明内容

本发明的目的在于为园艺植物形态结构的建模提供一种普适的方法，以便以一种相同的方法描述各种植物的器官造型，进而开发出交互式的园艺植物形态结构设计工具。

为达到上述目的，提供一种园艺植物几何造型建模方法，包括步骤：

S1，采用骨架表示植物器官的形状，并生成所述器官的网格曲面模型；

S2，设置植物形态结构的特征参数，并根据设置的特征参数生成植物的三维拓扑结构；

S3，对所述植物的三维拓扑结构进行结构调整和细节调整。

优选地，在所述步骤S1中，用轴骨架来表示具有圆柱体形状的器官；用半轮廓-轴骨架来表示具有对称结构的椭圆体器官，所述半轮廓-轴骨架由一根轴线和一根边缘线组成；用全轮廓-轴骨架来表示具有不规则边缘的薄片状器官，所述全轮廓-轴骨架由一根轴线和两根边缘线组成。

优选地，在步骤S1中，采用B样条曲线表示器官骨架中的轴线和边缘线，所述B样条曲线的控制点个数可以任意设定。

优选地，在所述步骤S1中，轴骨架器官或半轮廓-轴骨架器官的网格曲面模型通过利用绕轴线旋转的方式获得一系列的横截面数据点的方法构造而成。

优选地，对于全轮廓-轴骨架器官，其网格曲面模型利用Delaunay三角化方法实现三维空间中不规则多边形的三角化。

优选地，在所述步骤S2中，所述植物形态结构的特征参数包括植物主茎的节间个数、主茎长度、分枝个数和分枝节位，以及节间参数。

优选地，所述步骤S3包括对植物主茎和分枝的空间姿态的调整。

优选地，所述步骤S3还包括对器官的形态特征参数、空间姿态、颜色和纹理进行细微调整。

本发明还提供了一种园艺植物几何造型建模系统，包括：

器官造型几何描述单元，用于为各种园艺植物器官提供几何表示；

器官曲面生成单元，用于从所述植物的器官几何表示中生成该器官的网格曲面模型；

拓扑结构生成单元，用于生成植物的三维拓扑结构；及

拓扑结构调整单元，用于对生成的植物三维拓扑结构进行调整。

优选地，所述拓扑结构生成单元包括：

主茎及分枝设计子单元，用于设定植物主茎的节间个数和主茎长度，以及分枝个数和分枝节位；

结构生成子单元，用于根据所述设置的特征参数生成植物的三维拓扑结构；

节间参数设置子单元，用于设定节间参数。

优选地，所述拓扑结构调整单元包括：

植株姿态调整单元，为用户提供交互式界面，用户可通过拖动鼠标调整主茎和分枝的空间姿态；

器官详细设计单元，用于对生成的植株模型中的每个器官造型进行细微调整。

本发明的所提供的园艺植物几何造型建模方法及系统按照园艺植物的形态结构特点，定义了园艺植物三维造型的拓扑结构生成方法和数据存储结构，通过向导式的界面为用户生成植物植株的拓扑结构提供便利，用户可设置园艺植物植株的节间个数、主茎长度、分枝个数和节位、花器官个数、果实个数、是否有卷须等特征参数，基于这些特征参数，产生一个初始的植物三维模型，用户可以对所生成的园艺植物造型的空间姿态进行交互式的调整。各个器官采用基于B-样条曲线的几何描述和精确曲面建模，用户可对每个器官进行细微的编辑，包括颜色、纹理、方向等属性，所有修改操作均可得到实时反馈。从而为园艺植物植株形态结构的数字化交互式设计提供了一种灵活的方法。

附图说明

图1是本发明实施例的园艺植物几何造型建模方法流程图；

图2是依照本发明实施例的园艺植物几何造型建模方法的轴骨架及器官几何曲面；

图3是依照本发明实施例的园艺植物几何造型建模方法的半轮廓-轴骨架及器官几何曲面；

图4是依照本发明实施例的园艺植物几何造型建模方法的全轮廓-轴骨架及器官几何曲面；

图5是依照本发明实施例的园艺植物几何造型建模方法的主茎和分枝设计界面；

图6是依照本发明实施例的园艺植物几何造型建模方法的初始植株拓扑结构；

图7是依照本发明实施例的园艺植物几何造型建模方法的节间参数设置界面图；

图8是依照本发明实施例的园艺植物几何造型建模方法的植株姿态调整界面图；

图9是依照本发明实施例的园艺植物几何造型建模方法的植株器官详细设计界面图；

图10是依照本发明实施例的园艺植物几何造型建模方法的植株三维模型图；

图11是本发明实施例的园艺植物几何造型建模系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1所示，本发明实施例以黄瓜和西瓜为研究对象，提出的一种园艺植物植株几何造型建模方法主要按如下步骤进行：

1)器官造型的几何描述和曲面生成

园艺植物各个器官具有复杂的形态结构，为了为园艺植物器官的几何表示提供一种普适的方法，本发明的思想是采用骨架表示器官的形状，并且根据不同器官的形态特点将植物器官分成三类：轴骨架、半轮廓-轴骨架和全轮廓-轴骨架，分别用不同的骨架表示各类器官。其中轴骨架(见图2(a))用来表示具有圆柱体形状的器官，如茎、叶柄、卷须等；半轮廓-轴骨架(见图3(a)左边的图形)由一根轴线和一根边缘线组成，用来表示具有对称结构的椭圆体器官，如黄瓜和西瓜的果实；而全轮廓-轴骨架(见图4(a)左边的图形)由一根轴线和两根边缘线组成，用来表示具有不规则边缘的薄片状器官，如叶片和花瓣。采用B样条曲线表示器官骨架中的轴线和边缘线。由于B样条曲线的控制点个数可以任意设施，且可以容易的构造过控制点的样条曲线，因此具有灵活、易于控制等特点，可用来拟合各种作物器官的外形轮廓(见图3、图4中的骨架)。

从上述三种器官骨架中，可以生成各种骨架对应的器官的网格曲面。对于轴骨架类器官，首先确定器官的半径，然后从轴线上按等分选取几个点，在每个点上通过半径按垂直于轴线方向绕轴线从0到360度旋转若干个角度，得到一个横截面边缘轮廓线的若干个点，最后对这些点进行网格连接，形成器官外形轮廓的三角形网格曲面。图2(b)为两个从轴骨架生成的茎节曲面造型，图2(c)为从一个轴骨架生成的卷须曲面造型。对于半轮廓-轴骨架表示的器官，其几何曲面的生成与轴骨架器官的曲面造型生成相似，图3(a)分别为一个西瓜果实的骨架和生成的曲面造型，而图3(b)为一个黄瓜果实的骨架和曲面造型。对于全轮廓-轴骨架类器官，如叶片和花瓣，则采用Delaunay三角化算法的思想实现三维空间中不规则多边形的三角化，如图4所示，图4(a)为一个西瓜叶片的骨架和生成的曲面造型，图4(b)为玉米叶片的骨架和曲面造型。

2)植株三维造型的拓扑结构生成

植株三维造型的拓扑结构生成模块包括三个步骤，分别是主茎和分枝设计、植株拓扑结构生成、节间参数设置。

主茎和分枝设计用于设定园艺植物植株主茎的节间个数和主茎长度，以及分枝个数及分枝节位，本发明提供了一个输入界面(见图5)，这些参数都是通过直接输入数值进行设置的。

植株拓扑结构生成单元用来根据输入的主茎、分枝和节间参数生成植物植株的拓扑结构，其主要思想是基于对各种园艺植物形态特征和生长发育规律的分析，将不同种类园艺植物的节间长度、叶片着生位置、方位角、花着生节位、开花和结果概率等特征作为知识规则和约束，结合用户输入的参数，生成植株的拓扑结构(见图6)。

节间参数设置单元用于设定每个节间的参数，包括节间长度、半径，是否有叶子、花、果实、卷曲等器官，也是通过可视化界面进行输入(见图7)。

3)空间姿态调整和详细设计

植株姿态调整为用户提供一个交互界面(见图8)，用户可通过鼠标拖动的方式调整主茎和分枝的空间姿态，具体地，可通过鼠标拖动主茎和分枝骨架上的特征点，对植株的空间姿态进行360度的自由操作。

器官详细设计单元用来对生成的植株造型进行细微的调整，包括每个器官的形态特征参数、空间姿态和颜色、纹理等。具体地，可选取某个器官，修改其主要特征参数，或者通过器官的形状设计界面进行交互的调整(见图9)。图10分别是利用本发明方法设计的一个黄瓜植株三维模型和一个西瓜植株三维模型。

如图11所示为本发明实施例的植物几何造型建模系统的结构示意图。所述植物几何造型建模系统包括器官造型几何描述单元，用于为各种植物器官提供几何表示；器官曲面生成单元，用于从所述植物的器官中生成该器官的网格曲面模型；拓扑结构生成单元，用于生成植物的三维拓扑结构；以及拓扑结构调整单元，用于对生成的植物三维拓扑结构进行调整。其中所述拓扑结构生成单元包括：主茎及分枝设计子单元，用于设定植物主茎的节间个数和主茎长度，以及分枝个数和分枝节位；结构生成子单元，用于根据所述设置的特征参数生成植物的三维拓扑结构；和节间参数设置子单元，用于设定节间参数。其中所述拓扑结构调整单元包括：植株姿态调整单元，为用户提供交互式界面，用户可通过拖动鼠标调整主茎和分枝的空间姿态；器官详细设计单元，用于对生成的植株器官造型进行细微调整。

由以上实施例可以看出，本发明的实施例定义了园艺植物三维造型的拓扑结构生成方法和数据存储结构，通过向导式的界面为用户生成园艺植物植株的拓扑结构提供便利，用户可设置植物植株的节间个数、主茎长度、分枝个数和节位、花器官个数、果实个数、是否有卷须等特征参数，基于这些特征参数，产生一个初始的植物三维模型，用户可以对所生成的植物造型的空间姿态进行交互式的调整。各个器官采用基于B-样条曲线的几何描述和精确曲面建模，用户可对每个器官进行细微的编辑，包括颜色、纹理、方向等属性，所有修改操作均可得到实时反馈。从而为园艺植物植株形态结构的数字化交互式设计提供了一种灵活的方法。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (11)

1、一种园艺植物几何造型建模方法，其特征在于，所述园艺植物几何造型建模方法包括步骤：

S1，采用骨架表示植物器官的形状，并生成所述器官的网格曲面模型；

S2，设置植物形态结构的特征参数，并根据设置的特征参数生成植物的三维拓扑结构；

S3，对所述植物的三维拓扑结构进行结构调整和细节调整。

2、如权利要求1所述的园艺植物几何造型建模方法，其特征在于，在所述步骤S1中，用轴骨架来表示具有圆柱体形状的器官；用半轮廓-轴骨架来表示具有对称结构的椭圆体器官，所述半轮廓-轴骨架由一根轴线和一根边缘线组成；用全轮廓-轴骨架来表示具有不规则边缘的薄片状器官，所述全轮廓-轴骨架由一根轴线和两根边缘线组成。

3、如权利要求1或2所述的园艺植物几何造型建模方法，其特征在于，在步骤S1中，采用B样条曲线表示器官骨架中的轴线和边缘线。

4、如权利要求2所述的园艺植物几何造型建模方法，其特征在于，在所述步骤S1中，轴骨架器官或半轮廓-轴骨架器官的网格曲面模型通过利用绕轴线旋转的方式获得一系列的横截面数据点的方法构造而成。

5、如权利要求2所述的园艺植物几何造型建模方法，其特征在于，对于全轮廓-轴骨架器官，其网格曲面模型利用Delaunay三角化方法实现三维空间中不规则多边形的三角化。

6、如权利要求1所述的园艺植物几何造型建模方法，其特征在于，在所述步骤S2中，所述植物形态结构的特征参数包括植物主茎的节间个数、主茎长度、分枝个数和分枝节位，以及节间参数。

7、如权利要求1所述的园艺植物几何造型建模方法，其特征在于，所述步骤S3包括对植物主茎和分枝的空间姿态的调整。

8、如权利要求1所述的园艺植物几何造型建模方法，其特征在于，所述步骤S3还包括对器官的形态特征参数、空间姿态、颜色和纹理进行细微调整。

9、一种园艺植物几何造型建模系统，其特征在于，所述园艺植物几何造型建模系统包括：

器官造型几何描述单元，用于为各种植物器官提供几何表示；

器官曲面生成单元，用于从所述植物的器官几何表示中生成该器官的网格曲面模型；

拓扑结构生成单元，用于生成园艺植物的三维拓扑结构；及

拓扑结构调整单元，用于对生成的植物三维拓扑结构进行调整。

10、如权利要求9所述的园艺植物几何造型建模系统，其特征在于，所述拓扑结构生成单元包括：

主茎及分枝设计子单元，用于设定园艺植物主茎的节间个数和主茎长度，以及分枝个数和分枝节位；

结构生成子单元，用于根据所述设置的特征参数生成植物的三维拓扑结构；以及

节间参数设置子单元，用于设定节间参数。

11、如权利要求9所述的植物几何造型建模系统，其特征在于，所述拓扑结构调整单元包括：

植株姿态调整单元，为用户提供交互式界面，用户可通过拖动鼠标调整主茎和分枝的空间姿态；及

器官详细设计单元，用于对生成的植株模型中的每个器官造型进行细微调整。

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