CN101894388B - 虚拟植物生长的展示方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种虚拟植物生长的展示方法，按照以下步骤进行：根据植物生长过程中的照片建立虚拟植物器官的静态三维模型；根据观测距离判断展示分辨率为低分辨率、中分辨率或高分辨率；当展示分辨率分别为低分辨率、中分辨率或高分辨率时，利用虚拟植物器官的静态三维模型分别对应地绘制出虚拟植物植株生长过程的动态三维模型、虚拟植物器官生长过程的动态三维模型或虚拟植物器官的静态三维模型的纹理以进行展示。本发明能够多分辨率、动态地展示虚拟植物的生长变化过程，同时满足宏观和微观展示的需要，展示效果更加真实精确。
Description
技术领域
本发明涉及计算机三维图像处理领域，具体地讲，是一种虚拟植物生长的展示方法。
背景技术
计算机三维图像处理技术可以用于植物的生长控制领域，比如采用动态三维模型来展示虚拟植物的生长过程。虚拟植物生长的可视化展示是指在计算机上形象直观地再现植物的生长过程，可应用于农林业生产指导、产量预测、作物育种、苗情监测、水土保持、环境绿化、辅助景观设计、教学和培训等方面。虚拟植物的研究起源于1968年美国生物学家Lindenmayer(LINDENMAYER A.Mathematical models for cellular interactions in development I.Filaments withone-sided inputs[J].Journal of Theoretical Biology，1968，18(3)：280-99.以及LINDENMAYER A.Mathematical models for cellular interactions in developmentII.Simple and branching filaments with two-sided inputs[J].Journal of TheoreticalBiology，1968，18(3)：300-15.)提出的用于研究植物各器官相互关系的“字符重写系统(String rewriting system)”，或者被称为L文法。但由于植物各种器官的布局十分复杂，受到器官形状、器官形变、器官数量、以及器官之间相互作用等多种因素的影响，目前虚拟植物生长的可视化展示的效果还不能同时满足动态展示和多分辨率展示的要求。
在现有的虚拟植物生长的可视化展示方法中，比如GreenLab(HU B G，DEREFFYE P，ZHAO X，et al.GreenLab：A new methodology towards plantfunctional-structural model-Structural aspect；proceedings of the Plant GrowthModeling and Applications，Proceedings，F，2003[C].)、L-studio(RadoslawKarwowski，Przemyslaw Prusinkiewicz.The L-system-based plant-modelingenvironment L-studion 4.0.In Proceedings of the 4th International Workshop onFunctional-Structural Plant Models，pp.403-405，2004[C].)等方法可以展示植株整体的生长变化，但是缺乏对植物器官局部细节特征的展示。这类方法可以构建动态植物三维模型，却无法同时从宏观和微观等多个层次展示植物的生长变化过程。
在虚拟现实领域，国内外学者也提出了各种基于多分辨率展示思想的三维物体和场景的渲染方法。如Oliver Deussenl等(Deussen，O.，Colditz，C.，Stamminger，M.，et al.Interactive visualization of complex plant ecosystems.InProceedings of the Conference on Visualization′02(Boston，Massachusetts，October 27-November 01，2002)，pp.219-226，2002[C].)提出了一种多分辨率展示静态生态系统的方法；罗笑南等(罗笑南、齐鹏飞.基于XML和LOD技术的三维图形多分辨率显示方法：中国，200910037731.2[P].2009-08-05.)提出基于XML(Extensible Markup Language，即可扩展标记语言)和LOD(Levels of Detail，多层次细节)技术的三维图形多分辨率显示方法，对静态的三维图形进行多分辨率展示；张立强(张立强.网络环境下超大规模空间数据的三维可视化方法：中国，200710119077.0[P].2007-12-05.)提出了网络环境下超大规模空间数据的三维可视化方法，实现了超大规模几何实体的动态多分辨率显示；华炜等(华炜，鲍虎军，刘峰.一种基于分级层次化深度网格的森林绘制方法：中国，200810059420.1[P].2008-07-09.)提出了分级层次化深度网格的概念，并对森林纹理数据进行了有效的压缩，使得森林的绘制速度和效果都得到了很大程度的提高。但是上述多分辨率展示方法主要应用于静态三维物体和场景的展示，还没有涉及到植物生长变化的三维展示。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是要提供一种虚拟植物生长的展示方法，能够在低分辨率下展示虚拟植物植株的生长过程，在中分辨率下展示虚拟植物器官的生长过程，在高分辨率下展示虚拟植物的纹理。
为此，本发明提供了一种虚拟植物生长的展示方法，按照以下步骤进行：根据植物生长过程中的照片建立虚拟植物器官的静态三维模型；根据观测距离判断展示分辨率为低分辨率、中分辨率或高分辨率；当展示分辨率分别为低分辨率、中分辨率或高分辨率时，利用虚拟植物器官的静态三维模型分别对应地绘制出虚拟植物植株生长过程的动态三维模型、虚拟植物器官生长过程的动态三维模型或虚拟植物器官的静态三维模型的纹理以进行展示。
根据本发明的一个方面，根据观测距离判断展示分辨率为：当观测距离大于等于预设的第一距离dmax时，展示分辨率判断为低分辨率；当观测距离大于等于预设的第二距离dmin且小于第一距离dmax时，展示分辨率判断为中分辨率；当观测距离小于第二距离dmin时，展示分辨率判断为高分辨率。
根据本发明的另一个方面，利用虚拟植物器官的静态三维模型绘制出虚拟植物植株生长过程的动态三维模型的步骤为：用L文法中的字符表示虚拟植物的器官，并用L文法中的产生式表示虚拟植物植株的生长过程；通过龟形几何(Turtle Geometry)对所述L文法进行图形解释，从而对所述静态三维模型进行组装以绘制出虚拟植物植株生长过程的动态三维模型。
根据本发明的又一个方面，龟形几何采用方向符号RU、RR、RH，分别表示绕龟形几何坐标系的轴旋转，RH为生长方向，每个方向符号带一个参数以表示旋转的角度，顺时针为正，逆时针为负，“[”、“]”为分枝符号，即遇到“[”时压栈保存当前的状态，遇到“]”时将弹栈恢复上次压栈信息，以实现虚拟植物的分枝，还包括表示产生式的中间迭代信号量的临时变量和表示虚拟植物器官的器官变量。
根据本发明的又一个方面，利用虚拟植物器官的静态三维模型绘制出虚拟植物器官生长过程的动态三维模型采用Morphing方法，其步骤为：把虚拟植物器官原始状态和目标状态的静态三维模型投影到单位球面上得到原始拓扑结构和目标拓扑结构；建立原始拓扑结构和目标拓扑结构中顶点的对应关系；对原始拓扑结构和目标拓扑结构之间的对应顶点进行光滑插值，以绘制出虚拟植物器官生长过程的动态三维模型。
根据本发明的又一个方面，利用虚拟植物器官的静态三维模型绘制出虚拟植物器官的静态三维模型的纹理的步骤为：从植物照片上提取纹理样图，并通过纹理合成算法合成纹理后映射到虚拟植物器官的静态三维模型上以得到虚拟植物器官的静态三维模型的纹理。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过观测距离设定不同的展示分辨率，根据展示分辨率采用不同的方法来分别动态地展示植物的虚拟植株、器官和纹理的生长变化情况，能够同时满足宏观和微观展示的需要，提高了虚拟植物生长的可视化展示效果，可以更真实精确地再现植物生长过程。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明的虚拟植物生长的展示方法的流程图；
图2为本发明的虚拟植物生长的展示方法中植物器官的三维模型图；
图3为本发明的虚拟植物生长的展示方法中龟形几何的原理示意图；
图4为本发明的虚拟植物生长的展示方法中展示虚拟植物植株生长过程的示意图；
图5-1为本发明的虚拟植物生长的展示方法中展示虚拟植物果实生长过程的示意图；
图5-2为本发明的虚拟植物生长的展示方法中展示虚拟植物花朵生长过程的示意图；
图6-1为本发明的虚拟植物生长的展示方法中展示虚拟植物的花朵纹理的示意图；以及
图6-2为本发明的虚拟植物生长的展示方法中展示虚拟植物的叶片纹理的示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
图1示出的是本发明中虚拟植物生长的展示方法的流程，该展示方法按照以下步骤进行：根据植物生长过程中的照片建立虚拟植物器官的静态三维模型；根据观测距离判断展示分辨率为低分辨率、中分辨率或高分辨率；当展示分辨率分别为低分辨率、中分辨率或高分辨率时，利用静态三维模型分别对应地绘制出虚拟植物植株生长过程的动态三维模型、虚拟植物器官生长过程的动态三维模型或虚拟植物器官的静态三维模型的纹理以进行展示。以下将对各步骤进行详细描述。
S1：根据植物生长过程中的照片建立虚拟植物器官的静态三维模型。
虚拟植物生长过程的基础是根据真实植物的照片建立仿真度很高的三维模型。在进行计算机建模之前，需要对植物的发芽、分枝、长叶、开花和结果等各个生长阶段拍摄大量的照片，从而为建立虚拟植物的三维模型提供丰富的原始样本。在步骤S1中创建的是虚拟植物器官的静态三维模型，这些静态三维模型将为后续的虚拟植物生长过程的三维动态展示提供素材。本步骤中可以利用植物器官照片中器官表面的主要几何特征和Autodesk 3ds Max建模软件来创建植物器官的三维模型，当然也可以用其他的三维建模软件来实现建模。
对于叶片、花瓣、果萼等片状器官的三维建模，以辣椒叶片为例，建立三维坐标系<x，y，z>，利用一个已经网格化的二维平面作为叶片的原始形状，以采集的叶片正面图像作为参照背景，设定该二维平面边缘处坐标，使得边缘与叶片正面图像吻合，从而得到叶片的二维几何特征；然后以叶片侧面图像作为参照背景，通过指定二维平面上各个网格顶点处的第三维坐标，使得这些第三维坐标与所采集的叶片侧面图像相同，即可确定叶片在第三维上的形态；最后对叶片模型进行非均匀有理网格光滑的处理，根据对网格各顶点的位置来构造一条曲线，对各网格顶点进行逼近，以此来生成平滑的曲面形状，增强叶片的光滑性。
对于茎干、花蕊、果实等柱状器官的三维建模，如图2所示的辣椒果实为例，将辣椒果实模型放置在一个三维坐标系<x，y，z>中，首先直接由圆柱体通过改变其轴向方向的半径，来模拟茎干等的粗细，然后改变器官表面各网格顶点在空间的位置，使得器官模型进行弯曲。
对于花朵的三维建模，以辣椒花朵为例，分别对花瓣、花蕊、花枝等花朵组成部分进行建模。花瓣建模类似于叶片建模，花蕊和花枝的建模类似于茎干建模，然后将叶片和茎干合成为花朵的三维模型。
S2：根据观测距离判断展示分辨率为低分辨率、中分辨率或高分辨率。
步骤S2可以根据实际观测工具和观测环境预先设定第一距离dmax和第二距离dmin。比如，在利用照相机观测植物时，照相机由远处逐渐向植物靠近，植物在照相机显示屏上占据的位置逐渐变大，这种情况下可以将显示屏刚好能显示整个植物植株的观测距离设置为第一距离dmax，将显示屏上刚好能显示某个特定植物器官的观测距离设置为第二距离dmin。
预先设定第一距离dmax和第二距离dmin之后，根据观测距离判断展示分辨率，当观测距离大于等于预设的第一距离dmax时，展示分辨率判断为低分辨率；当观测距离大于等于预设的第二距离dmin且小于第一距离dmax时，展示分辨率判断为中分辨率；当观测距离小于第二距离dmin时，展示分辨率判断为高分辨率。
S3：当展示分辨率分别为低分辨率、中分辨率或高分辨率时，利用静态三维模型分别对应地绘制出虚拟植物植株生长过程的动态三维模型、虚拟植物器官生长过程的动态三维模型或虚拟植物器官的静态三维模型的纹理以进行展示。
当展示分辨率为低分辨率时，利用静态三维模型绘制出虚拟植物植株生长过程的动态三维模型以展示植株的生长变化情况，包括以下步骤：首先用L文法中的字符表示植物的叶、花、果实等器官，并用L文法中的产生式表示植物植株的分枝、开花、结果等生长过程，植物的生长规律可以根据农业知识统计得出。
L文法可以采用以下的程序进行描述：
其中，maxstep是迭代步数，axiom是初始状态，productions是描述植物的发芽、分枝、长叶、开花、结果等生长规则的产生式，文法中的leaf、flower等字符代表了植物的叶、花等器官，并与之前创建的植物器官的静态三维模型绑定。
L文法是一种形式化语言，其经过产生式迭代产生的结果是一系列字符串，本身不具有几何意义，需要通过龟形几何(Turtle Geometry)对L文法进行图形解释，从而对静态三维模型进行组装以绘制出虚拟植物植株生长过程的动态三维模型，由此来展示出虚拟植物植株的生长变化。图3示出的是龟形几何的坐标，二维情况下，乌龟的当前状态可用一个三元组<x，y，α>表示，其中(x，y)表示乌龟的当前位置，α表示乌龟的朝向，即乌龟的爬行方向，每次响应动作后该状态都会改变。在图3所示的龟形几何坐标中，RU、RR、RH为方向符号，分别表示绕
轴旋转，RH为生长方向，即乌龟的朝向。每个方向符号带一个参数，表示旋转的角度，顺时针为正，逆时针为负。“[”、“]”为分枝符号，即遇到“[”时龟图将压栈保存当前的状态，遇到“]”时将弹栈恢复上次压栈信息，以实现植物的分枝。其它字符可分为临时变量和器官变量两类，其中临时变量为产生式的中间迭代信号量，未绑定任何器官信息，没有几何意义，而器官变量则有器官绑定信息，表示特定器官，有几何意义。
例如，用L文法得到关于虚拟植物生长过程的字符串为：A[RU(45)B]C[RU(-45)D]E，其中A、B、C、D、E均绑定为特定器官，其含义为从A出发遇到“[”，将当前信息压栈开始分枝，遇到RU(45)即绕
轴旋转45度，遇到B按旋转后的
方向画一条直线，遇到“]”弹出栈信息，分枝完毕，回到画A后的状态，遇到C在A后画一条直线，遇到“[”将画C后的龟信息压栈，遇到RU(-45)即绕
轴旋转-45度，遇到D按旋转后的
方向画一条直线，遇到“]”弹出栈信息，分枝完毕，回到画C后的状态，最后遇到E在当前状态后往
方向画一条直线。
图4示出的是虚拟植物植株生长过程的示意图。由于观测距离比较远，在低分辨率下只能观测到植物植株的生长情况，无法清楚地观测到具体某个器官的生长情况，因此只需要在虚拟植物植株上体现一些器官的生长和凋落过程，不需要体现这些器官由小到大的生长过程。首先选定辣椒初始状态的静态三维模型，然后采用L文法得到关于辣椒生长规律的字符和产生式，接着利用龟形几何将器官的静态三维模型依次添加到初始状态上，从而可以将辣椒的发芽、分枝、长叶、开花和结果等过程动态地展示出来。由于L文法的结果是一种迭代的表达式，因此在动态三维模型上也体现出一种迭代的变化过程，即分枝前的枝条从计算机视图上被抹去，取而代之的分枝后的新枝条。
当展示分辨率为中分辨率时，利用静态三维模型绘制出虚拟植物器官生长过程的动态三维模型采用Morphing方法，按照以下步骤：首先把虚拟植物器官原始状态和目标状态的静态三维模型投影到单位球面上得到原始拓扑结构和目标拓扑结构；然后将投影在单位球面上的两个三维模型的拓扑状态合并在一起构成一个新的拓扑结构，并将新的拓扑结构映射回原来的两个三维模型，这样得到的两个新的模型与原来的两个模型具有相同的形状且共享相同的拓扑结构，从而建立原始拓扑结构和目标拓扑结构中顶点的对应关系；最后对原始拓扑结构和目标拓扑结构之间的对应顶点进行光滑插值，以绘制出虚拟植物器官在中间状态的动态三维模型，动态地显示出虚拟植物器官的生长变化过程。
图5-1示出的是采用Morphing方法虚拟辣椒果实生长过程的示意图，图5-2示出的是采用Morphing方法虚拟辣椒花朵生长过程的示意图。在中分辨率下显示屏上只能展示虚拟植物的某个具体器官的生长变化，也就是说中分辨率下侧重于观测到虚拟植物的局部变化，不能观测到虚拟植物整个植株的生长变化情况。
当展示分辨率为高分辨率时，利用静态三维模型绘制出虚拟植物器官的静态三维模型的纹理。绘制植物纹理可以采用纹理合成和纹理映射技术，按照以下步骤：从植物照片上提取纹理样图，并通过纹理合成算法合成纹理后映射到虚拟植物器官的静态三维模型上，以得到虚拟植物器官的静态三维模型的纹理。图6-1示出的是能够展示辣椒花朵静态三维模型的纹理的示意图，图6-2示出的是能够展示辣椒叶片静态三维模型的纹理的示意图。
步骤S3中的各种算法都是作用在虚拟植物的静态三维模型上绘制出能够展示植物生长变化过程的动态三维模型，只是在不同分辨率下各种算法的尺度不同，比如L文法主要用于控制植株的分枝变化，Morphing方法主要用于控制植物器官的生长变化，纹理合成和纹理映射技术主要用于展示植物器官的细节特征，从而实现了多层次多分辨率地展示植物生长变化的动态过程。
在进行虚拟植物生长过程的动态展示中，可以采用单格步进展示方式，即每一个状态展示需要接收到相应指令后才往下进行，也可以采用动画连续展示方式，即自动连续播放虚拟植物的生长变化过程。
在展示过程中三种分辨率可以互相切换，这种切换中需要记录时间周期，具体而言，在低分辨率下观测虚拟植物整个植株的生长变化时，如果想观测某朵花的开放过程，可以切换到中分辨率来观测该花朵的生长变化，此时的时间周期依旧正常向前运行，因此观测完该花朵的开放过程后再切换回低分辨率观测虚拟植物的植株时，看到的将是上述花朵绽放之后的植株，其生长变化的时间顺序依然正确。在中分辨率观测虚拟植物的器官时，也可以切换到高分辨率来观测虚拟植物器官生长到某个特定阶段时的纹理，这种纹理从微观上展现了虚拟植物器官的局部细节特征。
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，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种虚拟植物生长的展示方法，其特征在于，按照以下步骤进行：
根据植物生长过程中的照片建立虚拟植物器官的静态三维模型；
根据观测距离判断展示分辨率为低分辨率、中分辨率或高分辨率；
当所述展示分辨率分别为低分辨率、中分辨率或高分辨率时，利用所述虚拟植物器官的静态三维模型分别对应地绘制出虚拟植物植株生长过程的动态三维模型、虚拟植物器官生长过程的动态三维模型或虚拟植物器官的静态三维模型的纹理以进行展示。
2.根据权利要求1所述的虚拟植物生长的展示方法，其特征在于，根据观测距离判断展示分辨率为：
当所述观测距离大于等于预设的第一距离dmax时，所述展示分辨率判断为低分辨率；
当所述观测距离大于等于预设的第二距离dmin且小于所述第一距离dmax时，所述展示分辨率判断为中分辨率；
当所述观测距离小于所述第二距离dmin时，所述展示分辨率判断为高分辨率。
3.根据权利要求1所述的虚拟植物生长的展示方法，其特征在于，利用所述虚拟植物器官的静态三维模型绘制出虚拟植物植株生长过程的动态三维模型的步骤为：
用L文法中的字符表示虚拟植物的器官，并用所述L文法中的产生式表示虚拟植物植株的生长过程；
通过龟形几何对所述L文法进行图形解释，从而对所述静态三维模型进行组装以绘制出虚拟植物植株生长过程的动态三维模型。
4.根据权利要求3所述的虚拟植物生长的展示方法，其特征在于，所述龟形几何采用方向符号RU、RR、RH，分别表示绕龟形几何坐标系的
轴旋转，RH为生长方向，每个方向符号带一个参数以表示旋转的角度，顺时针为正，逆时针为负，“[”、“]”为分枝符号，即遇到“[”时压栈保存当前的状态，遇到“]”时将弹栈恢复上次压栈信息，以实现虚拟植物的分枝，还包括表示所述产生式的中间迭代信号量的临时变量和表示虚拟植物器官的器官变量。
5.根据权利要求1所述的虚拟植物生长的展示方法，其特征在于，利用所述虚拟植物器官的静态三维模型绘制出虚拟植物器官生长过程的动态三维模型采用Morphing方法，其步骤为：
把虚拟植物器官原始状态和目标状态的静态三维模型投影到单位球面上得到原始拓扑结构和目标拓扑结构；
建立所述原始拓扑结构和所述目标拓扑结构中顶点的对应关系；
对所述原始拓扑结构和所述目标拓扑结构之间的对应顶点进行光滑插值，以绘制出虚拟植物器官生长过程的动态三维模型。
6.根据权利要求1所述的虚拟植物生长的展示方法，其特征在于，利用所述虚拟植物器官的静态三维模型绘制出虚拟植物器官的静态三维模型的纹理的步骤为：
从植物照片上提取纹理样图，并通过纹理合成算法合成纹理后映射到所述虚拟植物器官的静态三维模型上以得到虚拟植物器官的静态三维模型的纹理。
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