CN101980303A - 植物花朵建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种植物花朵建模方法，包括：分析花朵形态结构及组成部分；花朵雌蕊与花柄几何建模与渲染；花朵雄蕊几何建模与渲染；花朵花冠几何建模与渲染；花朵花萼几何建模与渲染；将花朵的雌蕊、花柄、雄蕊、花冠以及花萼部分合成，得到完整的花朵三维模型。本发明植物花朵建模方法可以应用于其它不同植物花朵的几何建模。本发明植物花朵建模方法以相同的描述方法同时对花朵的各部分进行几何建模来生成具有花冠联合的植物花朵三维模型，该方法具有实时性，可与参数化植物几何建模相关联，生成的植物花朵三维模型具有较高的真实感。

Description

植物花朵建模方法

技术领域

本发明涉及计算机建模技术领域，尤其涉及一种用于植物花朵的几何建模方法。

背景技术

农业是中国国民经济的基础。农业信息化是本世纪农业发展的重要标志，也是农业现代化的重要组成部分。在农业信息化实施过程中，农业通过信息化可以获得倍增效益。

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，特别值得一提的是，虚拟农业已经成为我国农业发展的一个重要趋势，虚拟农业不但可以将农作物数字化，而且还能够为科研者提供方便的交互性操作与观察等，对于推动农业发展有着巨大的作用。

近年来，随着计算机硬件性能的不断提高以及虚拟植物建模、景观设计等领域的不断研究，使得较高真实感的植物造型成为可能和必需。由于植物花朵具有复杂的生理特征、几何形态和光学特性，因此植物花朵的形态建模和可视化成为真实感自然景物模拟中最具挑战的工作。

在计算机图形学中，早期的花朵建模是将L系统与Bezier曲面结合对花朵进行模拟，参数化方法中，用B样条曲线构造花朵各部分骨架，借助参数曲面和细分方法对各部分进行几何建模，分形与草图技术近年来也常用于花朵的几何建模方面，虽然这些方法侧重点不同，但大多数还是只针对离瓣花冠花朵的几何建模，对于花冠联合的花朵等并未涉及，且大部分方法都针对特定的植物，因此都不可避免地存在推广性的问题，即这些方法都很难适用于其他植物花朵的形态建模。因此，需要一种适用于多数植物花朵且包括花冠联合花朵的几何建模方法，并且该建模方法可建立具有较高真实感的植物花朵的三维模型。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：克服现有植物花朵建模方法不能对花冠联合花朵进行几何建模的不足；同时，克服现有植物花朵建模方法无法建立较高真实感的植物花朵三维模型的不足。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供一种植物花朵建模方法，包括以下步骤：

S1：对待建模花朵进行形态结构分析，确定所需建模部分；

S2：采用球B样条方法对花朵雌蕊及花柄进行几何建模，球B样条公式如下：

$<B>\left(t\right)=\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{N}_{i,p}\left(t\right)<P_i;r_i>,i=\mathrm{1,2}...n,t\&Element;\left[\mathrm{0,1}\right];$

其中P_i为控制球的球心位置，控制球的直径为2r_i，N_i，p(t)为p次B样条基函数，t为参数，i为求和下标，n为基函数的个数；

利用球B样条公式调整所述控制球的球心位置及控制球的半径得到雌蕊与花柄的几何模型，通过图像颜色取样与颜色插值的方法实现所述雌蕊与花柄的几何模型的颜色渲染；

所述颜色插值方法为：设几何模型上下两端的颜色分别为C_T，C_B，以多边形带为渲染单元，第k段单元的颜色为：

C(k)＝C_Te^-ck+C_B(1-e^-ck)

其中，C(k)为第k段单元的颜色，k＝0，1，…n，n为网格纵向分段数；

S3：根据所述步骤S2中球B样条方法对雄蕊进行几何建模，利用球B样条公式调整控制球的球心位置及控制球的半径得到雄蕊的几何模型，对所述雄蕊的几何模型采用所述步骤S2中图像颜色取样与颜色插值的方法实现颜色渲染；

S4：通过构造花朵花冠的轮廓线及轨迹线，并调整所述轮廓线与轨迹线中的参数得到花朵花冠的几何模型，对所述花朵花冠的几何模型采用步骤S2中图像颜色取样与颜色插值的方法实现颜色渲染；

S5：调整所述步骤S4中的轮廓线与轨迹线的参数，得到花朵花萼的几何模型，对所述花朵花萼的几何模型采用步骤S2中图像颜色取样与颜色插值的方法实现颜色渲染；

S6：将所述步骤S2、S3、S4、S5得到的几何模型合成得到花朵的几何模型。

其中，所述步骤S4中构造的轮廓线为3次B样条曲线：

$C_1\left(u\right)=\underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}{N}_{i,3}\left(u\right)P_i$

其中，C₁(u)为B样条曲线，N_i，3(u)为3次B样条基函数，P_i为控制顶点，u为参数，i为求和下标，m为基函数个数。

其中，所述步骤S4中构造的轨迹线表示为：

C(θ，k)＝α_kC′(θ)+(1-α_k)C″(θ)

其中，C(θ，k)为轨迹线，α_k＝e^-σk，k＝0，1，2…，σ为σ＞0的参数，C″(θ)为单位圆，C′(θ)为顶端轨迹曲线，用参数曲线表示为：

$C^{\&prime;}\left(\mathrm{\&theta;}\right)=\left\{\begin{array}{cc}x=R(\mathrm{\&theta;};c_1,c_2)\cos \mathrm{\&theta;}& \\ y=R(\mathrm{\&theta;};c_1,c_2)\sin \mathrm{\&theta;},& \mathrm{\&theta;}\&Element;\left[\mathrm{0,2}\mathrm{\&pi;}\right]\\ z=H(\mathrm{\&theta;};c_3,c_4)h_0& \end{array}\right.$

h₀为顶端高度值即Z坐标，R，H为极坐标下的参数函数，分别控制顶端轨迹z方向的投影与波动幅度(c_i≥0(i＝1，2，3，4)，c₁+c₂≤1)，其中R为分段函数：

R(θ；c₁，c₂)＝c₁+c₂|cos(5θ/2)|

$H(\mathrm{\&theta;};c_3,c_4)=\frac{c_3+e^{c_4\left(\right|\cos (5\mathrm{\&theta;}/2)|-1)}}{1+c_3}$

c_i为顶端轨迹的形状控制参数；通过调节c_i的值可以生成不同形状的顶端轨迹。

(三)有益效果

本发明提供的技术方案具有如下有益效果：通过以相同的描述方法依次对花朵的各部分进行几何建模，来生成具有花冠联合的植物花朵三维模型，从而使得该方法具有实时性，可与参数化植物几何建模相关联，且生成的植物花朵三维模型具有较高的真实感。可以应用于不同植物花朵的几何建模，尤其适用于对花冠联合花朵进行几何建模。

附图说明

图1为本发明实施例的植物花朵建模方法的流程图；

图2为利用本发明实施方式的方法进行建模时所使用的烟草花朵的结构示意图；

其中：1：雌蕊；2：花柄；3：雄蕊；4：花冠；5：花萼。

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。以下实施例仅用于说明本发明，但不用来限制本发明保护的范围。

如图1所示，为本发明实施例的植物花朵建模方法的流程图，再如图2所示，为利用本发明实施方式的方法进行建模时所适用的烟草花朵的结构示意图。结合图1和图2可以看出，本发明的一种植物花朵建模方法，包括以下步骤：

步骤S1：对待建模花朵进行形态结构及组成部分分析，确定所需建模部分；

如图2所示的烟草花朵，定义其由雌蕊1、花柄2、雄蕊3、花冠4和花萼5五部分组成，其中雌蕊1包括柱头、花柱以及子房；雄蕊3包括花药和花丝；花冠4包括花冠裂片和花筒。

步骤S2：采用球B样条方法对花朵雌蕊1及花柄2进行几何建模，由于花朵雌蕊1及花柄2都为具有不同半径的柱体组成，球B样条公式如下：

$<B>\left(t\right)=\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{N}_{i,p}\left(t\right)<P_i;r_i>,i=\mathrm{1,2}...n,t\&Element;\left[\mathrm{0,1}\right];$

其中<B>(t)中的尖括号没有特殊含义，仅仅是为了与B样条做区分，

P_i为控制球的球心位置，控制球用于通过调整控制球球心的位置和控制球的半径来实现对球B样条的调整，控制球的直径为2r_i，N_i，p(t)为p次B样条基函数，t为参数，i为求和下标，n为基函数，即P次B样条基函数的个数，由球B样条定义可知，调整控制球的球心位置及控制球的半径可得到雌蕊1与花柄2的几何模型，其中柱头采用椭圆球体表示，然后该几何模型通过图像颜色取样与颜色插值的方法实现颜色渲染，具体方法为：在雌蕊1与花柄2图像上，取上下两端的颜色分别为C_T，C_B，以多边形带为渲染单元，第k段单元的颜色C(k)为：

C(k)＝C_Te^-ck+C_B(1-e^-ck)

其中，k＝0，1，…n，n为网格纵向分段数，c为常数，改变c可以调整红白颜色过渡的快慢。

步骤S3：根据步骤S2中的雌蕊1及花柄2的几何建模方法，进行雄蕊3的几何建模和渲染：通过调整控制球的球心位置及控制球的半径实现雄蕊3的几何建模，得到雄蕊3的几何模型，其中花药采用椭圆球体表示，对雄蕊3的几何模型模型采用步骤S2中图像颜色取样与颜色插值的方法实现颜色渲染。

步骤S4：通过构造花朵花冠4的轮廓线及轨迹线，并调整轮廓线与轨迹线中的参数实现花朵花冠4的几何建模，得到花朵花冠4的几何模型，对该几何模型采用步骤S2中图像颜色取样与颜色插值的方法实现颜色渲染。

步骤S4中所构造的轮廓线为3次B样条曲线，表达式如下：

$C_1\left(u\right)=\underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}{N}_{i,3}\left(u\right)P_i$

其中，C₁(u)为B样条曲线，N_i，3(u)为3次B样条基函数，P_i为控制顶点，u为参数，i为求和下标，m为基函数个数。轮廓线控制点的选取可通过图像来选取。构造完花朵花冠4的轮廓线后，构造花朵花冠4的轨迹线，轨迹线的表达式如下：

C(θ，k)＝α_kC′(θ)+(1-α_k)C″(θ)

其中，C(θ，k)为轨迹线的表达式，α_k＝e^-σk，k＝0，1，2…，σ为σ＞0的参数，σ用于调整控制轨迹线由单位圆过渡到顶端曲线的过渡过程的快慢，σ越大，顶端轨迹以越快的速度趋于单位圆，C″(θ)为单位圆，C′(θ)为顶端轨迹曲线，用参数曲线表示为：

$C^{\&prime;}\left(\mathrm{\&theta;}\right)=\left\{\begin{array}{cc}x=R(\mathrm{\&theta;};c_1,c_2)\cos \mathrm{\&theta;}& \\ y=R(\mathrm{\&theta;};c_1,c_2)\sin \mathrm{\&theta;},& \mathrm{\&theta;}\&Element;\left[\mathrm{0,2}\mathrm{\&pi;}\right]\\ z=H(\mathrm{\&theta;};c_3,c_4)h_0& \end{array}\right.$

h₀为顶端高度值即Z坐标，R，H为极坐标下的参数函数，分别控制顶端轨迹z方向的投影与波动幅度(c_i≥0(i＝1，2，3，4)，c₁+c₂≤1)，两个函数具体为：

R(θ；c₁，c₂)＝c₁+c₂|cos(5θ/2)|

$H(\mathrm{\&theta;};c_3,c_4)=\frac{c_3+e^{c_4\left(\right|\cos (5\mathrm{\&theta;}/2)|-1)}}{1+c_3}$

在R中，c₂/c₁值越大，顶端轨迹越细长，花冠4裂片越明显，反之，轨迹越趋于圆；在H中，c₄/c₃值越大，顶端轨迹波动幅度越明显，反之，波动幅度越平缓并趋于平面，c_i为顶端轨迹的形状控制参数；通过调节c_i的值可以生成不同形状的顶端轨迹。

步骤S5：根据步骤S4中所构造的轮廓线与轨迹线，调整其中参数，实现花朵花萼5的几何建模，得到花朵花萼5的几何模型，对该模型采用步骤S2中图像颜色取样与颜色插值的方法实现颜色渲染。

步骤S6：将步骤S2、S3、S4、S5所构造的各花朵器官，即：雌蕊、花柄、雄蕊、花冠以及花萼部分根据其生长位置及组合方式进行模型的组合，从而得到完整的花朵几何模型。

本发明植物花朵建模方法可以应用于其它不同植物花朵的几何建模。本发明植物花朵建模方法是一种灵活的方法，能够以一种相同的描述方法来生成具有花冠联合的植物花朵三维模型；该方法具有实时性，可与参数化植物几何建模相关联，生成的植物花朵三维模型具有较高的真实感。

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，所有等同的技术方案也属于本发明的范畴。

Claims (3)

1.一种植物花朵建模方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：对待建模花朵进行形态结构分析，确定所需建模部分；

S2：采用球B样条方法对花朵雌蕊(1)及花柄(2)进行几何建模，球B样条公式如下：

$<B>\left(t\right)=\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{N}_{i,p}\left(t\right)<P_i;r_i>,i=\mathrm{1,2}...n,t\&Element;\left[\mathrm{0,1}\right];$

其中P_i为控制球的球心位置，控制球的直径为2r_i，N_i，p(t)为p次B样条基函数，t为参数，i为求和下标，n为基函数的个数；

利用球B样条公式调整所述控制球的球心位置及控制球的半径得到雌蕊(1)与花柄(2)的几何模型，通过图像颜色取样与颜色插值的方法实现所述雌蕊(1)与花柄(2)的几何模型的颜色渲染；

所述颜色插值方法为：设几何模型上下两端的颜色分别为C_T，C_B，以多边形带为渲染单元，第k段单元的颜色为：

C(k)＝C_Te^-ck+C_B(1-e^-ck)

其中，C(k)为第k段单元的颜色，k＝0，1，…n，n为网格纵向分段数；

S3：根据所述步骤S2中球B样条方法对雄蕊(3)进行几何建模，利用球B样条公式调整控制球的球心位置及控制球的半径得到雄蕊(3)的几何模型，对所述雄蕊(3)的几何模型采用所述步骤S2中图像颜色取样与颜色插值的方法实现颜色渲染；

S4：通过构造花朵花冠(4)的轮廓线及轨迹线，并调整所述轮廓线与轨迹线中的参数得到花朵花冠(4)的几何模型，对所述花朵花冠(4)的几何模型采用步骤S2中图像颜色取样与颜色插值的方法实现颜色渲染；

S5：调整所述步骤S4中的轮廓线与轨迹线的参数，得到花朵花萼(5)的几何模型，对所述花朵花萼(5)的几何模型采用步骤S2中图像颜色取样与颜色插值的方法实现颜色渲染；

S6：将所述步骤S2、S3、S4、S5得到的几何模型合成得到花朵的几何模型。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S4中构造的轮廓线为3次B样条曲线：

$C_1\left(u\right)=\underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}{N}_{i,3}\left(u\right)P_i$

其中，C₁(u)为B样条曲线，N_i，3(u)为3次B样条基函数，P_i为控制顶点，u为参数，i为求和下标，m为基函数个数。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S4中构造的轨迹线表示为：

C(θ，k)＝α_kC′(θ)+(1-α_k)C″(θ)

其中，C(θ，k)为轨迹线，α_k＝e^-σk，k＝0，1，2…，σ为σ＞0的参数，C″(θ)为单位圆，C′(θ)为顶端轨迹曲线，用参数曲线表示为：

$C^{\&prime;}\left(\mathrm{\&theta;}\right)=\left\{\begin{array}{cc}x=R(\mathrm{\&theta;};c_1,c_2)\cos \mathrm{\&theta;}& \\ y=R(\mathrm{\&theta;};c_1,c_2)\sin \mathrm{\&theta;},& \mathrm{\&theta;}\&Element;\left[\mathrm{0,2}\mathrm{\&pi;}\right]\\ z=H(\mathrm{\&theta;};c_3,c_4)h_0& \end{array}\right.$

其中h₀为顶端高度值即Z坐标，R，H为极坐标下的参数函数，分别控制顶端轨迹z方向的投影与波动幅度(c_i≥0(i＝1，2，3，4)，c₁+c₂≤1)，其中R为分段函数：

R(θ；c₁，c₂)＝c₁+c₂|cos(5θ/2)|

$H(\mathrm{\&theta;};c_3,c_4)=\frac{c_3+e^{c_4\left(\right|\cos (5\mathrm{\&theta;}/2)|-1)}}{1+c_3}$

c_i为顶端轨迹的形状控制参数，通过调节c_i的值生成不同形状的顶端轨迹。

Images