CN101739718A

CN101739718A - 一种基于参数模板的玉米叶片虚拟仿真建模方法

Info

Publication number: CN101739718A
Application number: CN200910243158A
Authority: CN
Inventors: 肖伯祥; 郭新宇; 赵春江; 温维亮; 陆声链
Original assignee: Beijing Research Center for Information Technology in Agriculture
Current assignee: Beijing Research Center for Information Technology in Agriculture
Priority date: 2009-12-30
Filing date: 2009-12-30
Publication date: 2010-06-16
Anticipated expiration: 2029-12-30
Also published as: CN101739718B

Abstract

本发明公开了一种基于参数模板的玉米叶片虚拟仿真建模方法，包括以下步骤：通过扫描真实玉米叶片建立玉米叶片参数化模板库，所述参数包括叶长、叶宽、叶脉曲线；根据目标建模玉米叶片的特征参数从上述的模板库中搜索与所述特征参数匹配的参数模板，所述特征参数包括目标叶长、目标叶宽、目标叶脉曲线；以所述特征参数为约束，根据相匹配的参数模板对所述目标建模玉米叶片建模。本发明的方法有效解决玉米叶片上不易于参数化表示的结构建模问题，建立的模型具有较强真实感，可满足玉米叶片数字化设计的需要。

Description

一种基于参数模板的玉米叶片虚拟仿真建模方法

技术领域

本发明涉及计算机图形学中植物对象的三维建模和虚拟农业技术领域，特别是涉及一种基于参数模板的玉米叶片虚拟仿真建模方法。

背景技术

进入二十一世纪以来，植物对象的三维形态虚拟仿真建模在计算机图形学、虚拟现实、教育、游戏娱乐等许多领域得到广泛的应用，植物对象的三维形态仿真与建模成为一个广泛研究的热点问题。

随着农业信息化技术的快速发展，新兴的虚拟现实技术在农业领域也越来越多地得到应用，虚拟农业中首要面临的问题是农林植物包括农业大田作物和园艺植物对象的虚拟建模问题，实现准确有效的植物对象的虚拟建模方法不仅可以拓展计算机图形学领域植物建模的研究内容，还能为农业科研领域提供直观的交互性操作与观察平台，对于推动现代农业信息化发展有着巨大的作用。

近年来，面向植物对象虚拟建模的研究引起了研究者较大的兴趣，关于玉米叶片、根系几何造型的研究已取得了较大成果。然而，由于植物本身所具有的复杂形态结构，特别针对难以参数化表示的复杂结构，例如玉米叶片的褶皱建模等，仍然没有有效的解决方法，这在很大程度上限制了植物对象参数化、可视化的发展。因此，针对难以参数化表示的复杂植物对象结构特征，设计实现有效的建模方法，并开发实用工具具有重要的实际意义和广阔的应用前景。

在本发明中，我们意在将现代计算机图形技术和农业信息化相结合，给出一种基于参数模板的玉米叶片虚拟仿真建模方法和原型系统，以解决植物对象中复杂结构建模问题，以及植物对象的统一参数化表示问题。

发明内容

(一)发明目的

本发明的目的是提供一种基于参数模板的玉米叶片虚拟仿真建模方法，以解决玉米叶片上不易于参数化表示的结构建模问题，建立具有较强真实感的玉米叶片模型。

(二)发明内容

一种基于参数模板的玉米叶片虚拟仿真建模方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：通过扫描真实玉米叶片建立玉米叶片参数化模板库，所述参数包括叶长、叶宽、叶脉曲线；

S2：根据目标建模玉米叶片的特征参数从S1所述的模板库中搜索与所述特征参数匹配的参数模板，所述特征参数包括目标叶长、目标叶宽、目标叶脉曲线；

S3：以所述特征参数为约束，根据相匹配的参数模板对所述目标建模玉米叶片建模。

其中，所述步骤S1包括：

S101：扫描玉米叶片，建立玉米叶片点云模型；

S102：然后根据点云模型，使用参数曲面插值方法建立叶片的参数曲面模型，计算所述曲面的控制点组；

S103：将所述参数曲面模型作为参数化模板存入数据库形成玉米叶片参数化模板库。

其中，所述S102中参数化曲面插值为NURBS曲面插值，按如下公式进行：

P (u, w) = \frac{Σ_{i = 0}^{n} Σ_{j = 0}^{m} B_{i, k} (u) \cdot B_{j, h} (w) \cdot W_{i, j} \cdot V_{i, j}}{Σ_{i = 0}^{n} Σ_{j = 0}^{m} B_{i, k} (u) \cdot B_{j, h} (w) \cdot W_{i, j}}

其中，P为计算的插值点，V_i，j为控制顶点，W_i，j为权因子，B_i，k(u)和B_j，h(w)分别为沿u向的k次和沿w向的h次B样条基函数。

其中，所述步骤S2包括：

S201：提取目标建模玉米叶片形态特征参数，对特征参数中的目标叶脉曲线建模；

S202：根据所述建模后的目标叶脉曲线在所述玉米叶片参数模板库中搜索模板叶脉曲线与所述目标叶脉曲线相匹配的模板。

其中，所述步骤S201中建模叶脉曲线采用Bezier曲线建模，公式如下：

P (t) = Σ_{i = 0}^{n} B_{i, n} (t) \cdot V_{i}, t &Element; [0,1] .

其中，P为计算的插值点，B_i，n为Bemstein基函数，t为插值参变量，V_i为控制点组。

其中，所述步骤S202包括：

S2021：分别将所述目标叶脉曲线和模板叶脉曲线规范化和离散化，所述规范化是将模板叶脉曲线进行仿射变换使其与目标叶脉曲线具有相同的位置，离散化以模板叶脉曲线和目标叶脉曲线为计算依据，并确定步长，离散化后形成模板点序列和目标点序列；

S2022：对于模板点序列中任意一点M，计算目标点序列中距离M最近的点N，计算M到N的距离并作为M到目标曲线的最小距离Dm；

S2023：依次循环所有模板点序列中的点，计算目标点对应的最小距离并取平均值D，将D作为模板曲线与目标曲线的偏移量，计算模板库中所有模板的模板叶脉曲线与目标叶脉曲线的偏移量，并取偏移量最小的模板为匹配模板。

其中，所述步骤S3包括：

S301：将玉米叶片参数模板进行缩放变换，使其与目标建模玉米叶片具备相等叶宽；

S302：根据变换后的模板参数曲面的控制点组将模板叶脉曲线和

目标叶脉曲线离散化为一一对应的离散点序列，离散化后形成模板参

照点序列和目标参照点序列；

S303：分别计算模板参照点序列中各点与目标参照点序列中对应点的仿射变换关系，并将模板的控制点组进行相应的仿射变换；

S304：按仿射变换后的控制点组重新计算目标建模玉米叶片的参数曲面，生成目标玉米叶片的模型。

(三)有益效果

本发明的基于参数模板的玉米叶片虚拟仿真建模方法有效解决玉米叶片上不易于参数化表示的结构建模问题，建立的模型具有较强真实感，可满足玉米叶片数字化设计的需要。

附图说明

图1是根据本发明的基于参数模板的玉米叶片虚拟仿真建模方法流程图；

图2是根据本发明的基于参数模板的玉米叶片虚拟仿真建模方法的玉米叶片扫描点云模型；

图3是将图2的电点云模型重构为玉米叶片模板的参数曲面模型；

图4是根据本发明的基于参数模板的玉米叶片虚拟仿真建模方法的模板搜索匹配示意图。

图5是根据本发明的基于参数模板的玉米叶片虚拟仿真建模方法的基于参数模板的建模示意图。

具体实施方式

本发明提出的基于参数模板的玉米叶片虚拟仿真建模方法，结合附图和实施例说明如下。

如图1所示，步骤S1通过扫描真实玉米叶片建立玉米叶片参数化模板库，其中参数为叶长、叶宽、叶脉曲线。具体地，选取有代表性特征的玉米叶片作为模板数据源，使用FASTSCAN三维激光扫描仪扫描玉米叶片，得到叶片模板的散乱点云模型，点云模型如图2所示；根据点云模型使用参数曲面插值方法建立叶片的参数曲面模型，计算所述曲面的控制点组，优选NURBS曲面插值，选取具有NURBS曲面控制点拓扑结构的点作为参数曲面插值点，选取5×12排插值点，计算NURBS控制点，并将叶脉曲线以步长0.02规格离散化，离散后模板点序列包含50元素，计算公式如下，其中P为计算的插值点，V_i，j为控制顶点，W_i，j为权因子，B_i，k(u)和B_j，h(w)分别为沿u向的k次和沿w向的h次B样条基函数，参数曲面模型如图3所示；

P (u, w) = \frac{Σ_{i = 0}^{n} Σ_{j = 0}^{m} B_{i, k} (u) \cdot B_{j, h} (w) \cdot W_{i, j} \cdot V_{i, j}}{Σ_{i = 0}^{n} Σ_{j = 0}^{m} B_{i, k} (u) \cdot B_{j, h} (w) \cdot W_{i, j}}

将插值好的参数曲面模型作为参数化模板存入数据库形成玉米叶片参数化模板库。

步骤S2根据目标建模玉米叶片(待建模的玉米叶片)的特征参数从步骤S1的参数模板库中搜索与所述特征参数匹配的参数模板，所述特征参数包括目标叶长、目标叶宽和目标叶脉曲线。具体地，提取作为建模目标的玉米叶片形态特征参数，对特征参数中的目标叶脉曲线建模，优选Bezier曲线建模，并以步长规格0.02离散化，得到目标点序列含50元素，Bezier算法如下式所示，其中P为计算的插值点，B为Bemstein基函数，t为插值参变量，V为控制点组。公式如下：

P (t) = Σ_{i = 0}^{n} B_{i, n} (t) \cdot V_{i}, t &Element; [0,1] .

以目标叶片的叶脉曲线，即目标叶脉曲线作为模板搜索匹配的依据，在玉米叶片参数模板库中搜索模板叶脉曲线与该目标叶脉曲线相匹配的模板，使用一种基于离散化最近点的曲线匹配方法，如附图4所示，首先，分别将目标叶脉曲线和模板叶脉曲线规范化和离散化，规范化是将模板曲线进行仿射变换使其与目标曲线具有相同的位置，离散化方法为以模板叶脉曲线和目标叶脉曲线为计算依据，并确定一定的步长，离散化后的目标曲线和模板曲线分别为处在目标曲线和模板曲线上的三维空间点序列，分别称为目标点序列和模板点序列；然后，对于模板点序列中任意一点M，计算目标点序列中距离M最近的点N，计算M到N的距离并作为M到目标曲线的最小距离Dm；最后，依次循环模板点序列中的所有元素，计算对应的最小距离并取平均值D，将D作为模板曲线与目标曲线的偏移量。计算模板库中所有模板与目标曲线的偏移量，并取偏移量最小的为最相似模板，从而完成模板匹配。

步骤S3以上述特征参数为约束，根据相匹配的参数模板对所述目标建模玉米叶片建模，即根据目标叶长、目标叶宽和建模后的目标叶脉曲线，将步骤S2模板变形生成目标玉米叶片的模型。具体地，由于叶脉曲线本身包括叶长信息，因此约束主要包括叶脉曲线约束和叶宽约束，以目标叶片叶宽和选取的模板叶片叶宽比例为参照，将模板叶片进行缩放变换，使其与目标叶片具备相等叶宽。接下来进行叶脉曲线约束建模，如附图5所示，首先根据模板叶片参数曲面的控制点组将模板叶脉曲线和目标叶脉曲线离散化为若干一一对应的离散点序列，分别称为模板参照点序列和目标参照点序列，并以此作为建模参照，这样就建立了模板参数曲面的所有控制点与模板参照点序列和目标参照点序列的对应关系；然后，分别计算模板参照点序列中各点与目标参照点序列中对应点的仿射变换关系，并将模板的控制点组进行相应的仿射变换；最后，按仿射变换后的控制点组重新计算参数曲面，生成目标玉米叶片的模型。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims

1.一种基于参数模板的玉米叶片虚拟仿真建模方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的基于参数模板的玉米叶片虚拟仿真建模方法，其特征在于，所述步骤S1包括：

S101：扫描玉米叶片，建立玉米叶片点云模型；

3.如权利要求2所述的基于参数模板的玉米叶片虚拟仿真建模方法，其特征在于，所述S102中参数化曲面插值为NURBS曲面插值，按如下公式进行：

P (u, w) = \frac{Σ_{i = 0}^{n} Σ_{j = 0}^{m} B_{i, k} (u) \cdot B_{j, h} (w) \cdot W_{i, j} \cdot V_{i, j}}{Σ_{i = 0}^{n} Σ_{j = 0}^{m} B_{i, j} (u) \cdot B_{j, h} (w) \cdot W_{i, j}}

4.如权利要求1所述的基于参数模板的玉米叶片虚拟仿真建模方法，其特征在于，所述步骤S2包括：

5.如权利要求4所述的基于参数模板的玉米叶片虚拟仿真建模方法，其特征在于，所述步骤S201中建模叶脉曲线采用Bezier曲线建模，公式如下：

P (t) = Σ_{i = 0}^{n} B_{i, n} (t) \cdot V_{i}, t &Element; [0,1] .

其中，P为计算的插值点，B_i，n为Bernstein基函数，t为插值参变量，V_i为控制点组。

6.如权利要求4所述的基于参数模板的玉米叶片虚拟仿真建模方法，其特征在于，所述步骤S202包括：

7.如权利要求2所述的基于参数模板的玉米叶片虚拟仿真建模方法，其特征在于，所述步骤S3包括：

S302：根据变换后的模板参数曲面的控制点组将模板叶脉曲线和目标叶脉曲线离散化为一一对应的离散点序列，离散化后形成模板参照点序列和目标参照点序列；