CN102063736A - 一种辣椒果实几何建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种辣椒果实几何建模方法，包括：S1：根据辣椒果实表面的标记点分别采集辣椒果实每个部分表面的三维数据点；S2：根据每部分的三维数据点利用NURBS曲面分别对每个部分建模；S3：采用样条拼接方法将各部分建模的模型拼接成完整的辣椒果实模型。本发明能够灵活地对构建果实的外形进行控制，果实表面较光滑，凹凸感强，而且拼接处无裂痕。

Description

一种辣椒果实几何建模方法

技术领域

本发明涉及数字农业技术领域，特别涉及一种辣椒果实几何建模方法。

背景技术

数字植物是数字农业的基础性研究工作，其综合利用数字化技术对植物的生命过程和农业生产过程进行定量化可视化研究，为植物几何建模、生长过程模拟、可视化计算、植物生命体系的数字化表达、协同科研试验、集成应用以及成果共享等，提供支撑技术和信息服务平台。

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。

辣椒果实长圆筒状，果肉较厚，颜色艳丽、美观；分为红色、黄色、紫色、绿色等多种颜色。整个果实一般分为2到4个部分(不含柄)，相邻两部分的连接处有比较明显的沟痕，并且果实的上下两个尖端明显下凹。

植物果实的几何建模方法主要通过植物本身的轮廓特征结合参数曲面来构建：

苏红波基于苹果果实的外形特征，提取外形参数，利用Bezier曲线，拟合外围轮廓曲线，将轮廓线按照一定的轨迹曲线旋转，构造了苹果果实；参考文献：苏红波，郭新宇，陆声链，温维亮，王衍安，戴仕明，苹果花序几何造型及可视化研究，中国农学通报，2009，2，5(02)。

陆玲和周书民提出了一种基于曲面参数方程的植物果实的造型方法，该方法使用凹凸纹理处理方式对椭球参数方程进行变形，模拟各种不同形状植物果实形状。参考文献：陆玲，周书民，植物果实的几何造型及可视化研究，系统仿真学报，2007，4，19(8)。

邓青青等人通过拼接多个Bezier曲面，实现了果实表面的构建，模拟了柑橘和苹果。参考文献：邓青青，虚拟柑橘生长可视化建模研究与实现。

上述背景技术有如下缺陷：

轮廓线按照轨迹线旋转的方法构造的果实较光滑，难以构造表面凹凸感较强的植物果实；

基于曲面参数方程的植物果实的造型方法对构建果实外形的控制不够灵活；

通过拼接多个Bezier曲面构造果实的方法无法实现曲面的无缝光滑拼接，并且容易出现表面的缝隙断裂等情况。

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：如何构造出辣椒果实凹凸感较强的果实模型，并且果实模型表面光滑无裂痕。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供了一种辣椒果实几何建模方法，包括以下步骤：

S1：根据辣椒果实表面的标记点分别采集辣椒果实每个部分表面的三维数据点，所述辣椒果实被表面的沟痕将所述辣椒果实分为2到4个部分；

S2：根据每部分的三维数据点利用NURBS曲面分别对每个部分建模；

S3：采用样条拼接方法将各部分建模的模型拼接成完整的辣椒果实模型。

其中，所述步骤S2中具体建模的NURBS公式如下：

$P(s,t)=\frac{\underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_{i,j}{p}_{i,j}{N}_{i,k}\left(s\right)N_{j,l}\left(t\right)}{\underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_{i,j}{N}_{i,k}\left(s\right)N_{j,l}\left(t\right)},$

(s，t)∈[s_k，s_m+1]×[t_l，t_n+1]                (1)

其中，P_i，j为控制顶点，N_i，k(s)，N_j，l(t)是分别定义在节点矢量

S＝{s₀，s₁，…，s_m+k+1}(s_i≤s_i+1，i＝0，1，…，m+k)(2)

T＝{t₀，t₁，…，t_n+l+1}(t_j≤t_j+1，j＝0，1，…，n+l)(3)

上的k次和l次B样条基函数，ω_i，j为控制顶点P_i，j的权值，k、l表示所采用的B样条基函数的次数，m和n为NURBS曲面分别在s向和t向上的控制点个数。

其中，所述公式(1)中k和l均取值为3，在控制点列首、尾两端都采用三重节点，节点矢量采用累加弦长参数，若控制点为P_i，(i＝0，1，2，…，n)，则节点矢量为T＝{t₀，…，t₃，t₄，…，t_n+4}，其中，

t₀＝…＝t₃＝0，t_n+1＝…＝t_n+4＝1， $t_{3+i}=t_{3+i-1}+{|P_i-P_{i-1}|}^{1/2}/\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{|P_j-P_{j-1}|}^{1/2},i=\mathrm{1,2},...n-3---\left(4\right).$

其中，在辣椒表面曲率越大，所在处的控制点权值ω_i，j越大，控制点数也越多。

其中，所述步骤S3具体包括：

S3.1：平移、旋转各部分的模型，使相邻两部分边缘相应标记点重合；

S3.2：在边界控制点列中插入控制点，使相邻两部分的边界控制点列重合；

S3.3：根据公式(4)重新计算各个部分的节点矢量；

S3.4：利用重新计算的节点矢量重新生成NURBS曲面；

S3.5：对各个部分重复步骤S3.1～S3.4，完成各部分之间的拼接。

其中，所述步骤S3.2中插入的控制点的取值为相邻两部分边界上控制点坐标的平均值。

其中，所述每个部分的控制点数为100～300。

(三)有益效果

本发明通过NURBS曲面对辣椒的各个部分建模，并将各部分进行拼接，可以手动调整NURBS曲面的控制点，能够灵活地对构建果实的外形进行控制，果实表面较光滑，凹凸感强，而且处无裂痕。

附图说明

图1是本发明实施例的一种辣椒果实几何建模方法流程图；

图2是辣椒果实横切面图；

图3是本发明的方法对辣椒果实各部分建模的模型示意图；

图4是本发明的方法在无缝连接各部分建模时控制点插入前后对比图。

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。

以彩椒为具体实例来说明本发明，如图1所示，为本发明实施例的一种辣椒(彩椒)果实几何建模方法流程图，包括：

步骤S101，沿着辣椒果实表面的沟痕将所述辣椒果实分为2到4个部分，并根据辣椒果实表面的标记点分别采集每个部分的三维数据点。如图2所示，为一种彩椒的横切面图，可将其分成4个部分，分别对4个部分建模。为了到达比较好的真实感，在建模前每个部分根据其大小需要采集100到300个不等的控制点。数据点主要使用三维扫描仪FastScan获得，具体步骤为：

(1)用黑色记号笔在彩椒表面标记拟采集点，即标记点，根据各部分的大小在表面标记若干行，每行取点个数相同。

(2)将被采集的彩椒果实固定，由于金属对FastScan有比较强的干扰，应尽量远离铁架台等金属。

(3)用FastScan的探笔点取需要的三维数据点，沿着记号笔标记的标记点依次按顺序点取，为提高精度，统一将所有的点取到彩椒的表面上。

(4)校正，在FastScan处理软件中观察点的位置是否正确，如有偏差，重复步骤(3)。

(5)导出数据，将获取的三维数据点导出为obj文件，供建模时从中读取三维数据点。

步骤S102，根据每部分的三维数据点利用张量积NURBS曲面分别对每个部分建模，其中，建模公式如下：

$P(s,t)=\frac{\underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_{i,j}{p}_{i,j}{N}_{i,k}\left(s\right)N_{j,l}\left(t\right)}{\underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_{i,j}{N}_{i,k}\left(s\right)N_{j,l}\left(t\right)},$

(s，t)∈[s_k，s_m+1]×[t_l，t_n+1]           (1)

其中，P_i，j为控制顶点，即步骤S101中获取的三维数据点(三维数据点是从数据获取的角度来描述的，控制点是从曲面建模的角度来描述的)，N_i，k(s)，N_j，l(t)是分别定义在节点矢量

S＝{s₀，s₁，…，s_m+k+1}(s_i≤s_i+1，i＝0，1，…，m+k)(2)

T＝{t₀，t₁，…，t_n+l+1}(t_j≤t_j+1，j＝0，1，…，n+l)(3)

上的k次和l次B样条基函数，ω_i，j为控制顶点P_i，j的权值，k、l表示所采用的B样条基函数的次数，k和l为自然数。m和n为NURBS曲面分别在s向和t向上的控制点个数。其中，所述公式(1)中k和l均取值为3，在控制点列首、尾两端都采用三重结点，节点矢量采用累加弦长参数，若控制点为P_i，(i＝0，1，2，…，n)，则t方向上的节点矢量为T＝{t₀，…，t₃，t₄，…，t_n+4}，其中，

t₀＝…＝t₃＝0，t_n+1＝…＝t_n+4＝1， $t_{3+i}=t_{3+i-1}+{|P_i-P_{i-1}|}^{1/2}/\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{|P_j-P_{j-1}|}^{1/2},i=\mathrm{1,2},...n-3---\left(4\right)$

该公式也适合计算s方向上的节点矢量S。并且辣椒表面曲率越大，所在处的控制点权值ω_i，j越大，控制点数也越多，即需要对控制点的权值以及控制点的稠密程度进行调整，在曲率比较大或者特征明显处，控制点的权值相对大一些并且取的点相对稠密一些，每个部分的边界控制点或中间比较光滑部分的控制点权值相对小一些并且相对稀疏，这样做可以更好地突出彩椒果实表面的凹凸、弯曲、褶皱等特征。对各部分建模后的模型如图3所示，A1、B1、C1和D1分别是第一部分到第四部分的控制点的模型，A2、B2、C2和D2分别是第一部分到第四部分建模完成后的模型。

步骤S103，采用样条拼接方法将各部分建模的模型拼接成完整的辣椒果实模型。具体包括：

S103.1，平移、旋转各部分的模型，使相邻两部分边缘相应标记点重合；如将第一部分最后一列和第二部分第一列控制点中的相应标记点重合。

S103.2，在边界控制点列中插入控制点，使相邻两部分的边界控制点列重合；即在第一部分的最后一条边界点列中插入第二部分中第一点列的控制点，使第一部分的最后一条控制点列和第二部分的第一条控制点列重合。其中，插入的控制点的取值为相邻两部分边界上控制点坐标的平均值。

S103.3，按公式(4)重新计算各个部分的节点矢量。

S103.4，利用重新计算的节点矢量重新生成B样条曲面。

S103.5，对各个部分重复步骤S3.1～S3.4，完成各部分之间的拼接。

在过程S103.1中平移、旋转及步骤S103.2中插入控制点得当的前提下，这种方法的误差是很小的，如图4所示，左图为插入控制点前的并接，右图为插入控制点后的拼接。

本发明还适合其它辣椒，如尖椒的建模。

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 (7)

1.一种辣椒果实几何建模方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：根据辣椒果实表面的标记点分别采集辣椒果实每个部分表面的三维数据点，所述辣椒果实被表面的沟痕将所述辣椒果实分为2到4个部分；

S2：根据每部分的三维数据点利用NURBS曲面分别对每个部分建模；

S3：采用样条拼接方法将各部分建模的模型拼接成完整的辣椒果实模型。

2.如权利要求1所述的辣椒果实几何建模方法，其特征在于，所述步骤S2中具体建模的NURBS公式如下：

$P(s,t)=\frac{\underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_{i,j}{p}_{i,j}{N}_{i,k}\left(s\right)N_{j,l}\left(t\right)}{\underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_{i,j}{N}_{i,k}\left(s\right)N_{j,l}\left(t\right)},$

(s，t)∈[s_k，s_m+1]×[t_l，t_n+1]         (1)

其中，P_i，j为控制顶点，N_i，k(s)，N_j，l(t)是分别定义在节点矢量

S＝{s₀，s₁，…，s_m+k+1}(s_i≤s_i+1，i＝0，1，…，m+k)(2)

T＝{t₀，t₁，…，t_n+l+1}(t_j≤t_j+1，j＝0，1，…，n+l)(3)

上的k次和l次B样条基函数，ω_i，j为控制顶点P_i，j的权值，k、l表示所采用的B样条基函数的次数，m和n为NURBS曲面分别在s向和t向的控制点个数。

3.如权利要求2所述的辣椒果实几何建模方法，其特征在于，所述公式(1)中k和l均取值为3，在控制点列首、尾两端都采用三重节点，节点矢量采用累加弦长参数，若控制点为P_i，(i＝0，1，2，…，n)，则节点矢量为T＝{t₀，…，t₃，t₄，…，t_n+4}，其中，

t₀＝…＝t₃＝0，t_n+1＝…＝t_n+4＝1， $t_{3+i}=t_{3+i-1}+{|P_i-P_{i-1}|}^{1/2}/\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{|P_j-P_{j-1}|}^{1/2},i=\mathrm{1,2},...n-3---\left(4\right).$

4.如权利要求2所述的辣椒果实几何建模方法，其特征在于，在辣椒表面曲率越大，所在处的控制点权值ω_i，j越大，控制点数也越多。

5.如权利要求1所述的辣椒果实几何建模方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：

S3.1：平移、旋转各部分的模型，使相邻两部分边缘相应标记点重合；

S3.2：在边界控制点列中插入控制点，使相邻两部分的边界控制点列重合；

S3.3：根据公式(4)重新计算各个部分的节点矢量；

S3.4：利用重新计算的节点矢量重新生成NURBS曲面；

S3.5：对各个部分重复步骤S3.1～S3.4，完成各部分之间的拼接。

6.如权利要求5所述的辣椒果实几何建模方法，其特征在于，所述步骤S3.2中插入的控制点的取值为相邻两部分边界上控制点坐标的平均值。

7.如权利要求1～6中任一项所述的辣椒果实几何建模方法，其特征在于，所述每个部分的控制点数为100～300。

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