CN102289836B - 植物动画合成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种植物动画合成方法，包括：S1：提取待建模植物整体的静态虚拟模型的三维空间骨架曲线，所述骨架曲线为所述静态虚拟模型的几何中心线；S2：在连续的运动捕捉时间序列内，根据待建模植物上设置的运动捕捉特征点捕捉所述待建模植物的运动，并记录捕捉到的运动数据帧；S3：逐帧计算所述数据帧中的特征点所发生的位置偏移量，计算所述骨架曲线上与所述特征点对应的标记点的偏移量，并重建偏移后的骨架曲线；S4：根据偏移后的骨架曲线生成待建模植物的偏移后的静态虚拟模型，以合成动画。本发明实现了植物对象的精确、有效地且真实感较强地动画合成。

Description

植物动画合成方法

技术领域

本发明涉及计算机图形学技术领域，特别涉及一种植物动画合成方法。

背景技术

进入二十一世纪以来，植物对象的三维形态动态虚拟仿真和真实感动画合成在计算机图形学、虚拟现实、教育、游戏娱乐等许多领域得到广泛的应用，植物对象的三维动态模拟和动画合成已经发展成为一个热点问题。

随着现代文化创意产业的快速发展，植物的虚拟动画合成扮演着越来越重要的角色的，成为游戏娱乐、虚拟展示、园艺景观设计等典型应用中不可或缺的重要组成部分，对植物虚拟建模方法、动态过程模拟方法以及动画合成方法产生了巨大需求。此外，在现代农业信息化领域，新兴的虚拟现实技术也越来越多地得到应用，虚拟农业中面临着如何对农林植物(包括农业大田作物和园艺植物对象)的虚拟建模和模拟动态生长过程的问题。因此，实现准确有效的植物对象的虚拟建模，动画合成与动态仿真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，关于植物对象静态真实感建模的研究已取得了较大成果。然而，随着信息技术的快速发展，现实应用领域中对高精度、高真实感植物动画提出了进一步的要求，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，真实感植物动画合成问题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，针对复杂的植物对象，设计实现精确、有效地且真实感较强地动画合成方法，并开发实用工具具有重要的实际意义和广阔的应用前景。

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：如何对植物对象实现精确、有效地且真实感较强地动画合成方法。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供了一种植物动画合成方法，包括以下步骤：

S1：提取待建模植物的整体静态虚拟模型的三维空间骨架曲线，所述骨架曲线为所述静态虚拟模型的几何中心线；

S2：在连续的运动捕捉时间序列内，根据待建模植物上设置的运动捕捉特征点捕捉所述待建模植物的运动，并记录捕捉到的运动数据帧；

S3：逐帧计算所述数据帧中的特征点所发生的位置偏移量，计算所述骨架曲线上与所述特征点对应的标记点的偏移量，并重建偏移后的骨架曲线；

S4：根据偏移后的骨架曲线生成待建模植物的偏移后的虚拟模型，以合成动画。

其中，所述步骤S1具体包括：

S1.1：根据所述待建模植物的器官提取器官骨架曲线；

S1.2：拼接所述器官骨架曲线，建立整个植物的骨架曲线。

其中，所述步骤S2中捕捉所述待建模植物的运动的方式为：

所述特征点将运动捕捉设备周围发光装置发出的红外线反射进运动捕捉设备的摄像头，以使所述运动捕捉设备记录捕捉到的运动数据帧，所述特征点是由红外敏感的反光贴和轻质半球形垫片组成，反光贴完全覆盖垫片，并粘贴在植物体表面，从而形成半球形凸起的红外敏感的反光标记。

其中，所述半球形垫片半径为1～2毫米。

其中，所述步骤S3具体包括：

S3.1：读取记录的一帧运动数据帧；

S3.2：根据所述运动数据帧中特征点所发生的位置偏移量计算所述骨架曲线上与所述特征点对应的标记点的偏移量，以确定所述标记点的位置；

S3.3：根据所述标记点进行曲线插值生成偏移后的骨架曲线；

S3.4：重复执行步骤S3.1～S3.3，得到若干运动数据帧对应的偏移后的骨架曲线。

其中，所述步骤S3.3中曲线插值的方式为B样条曲线插值，首先以所述标记点作为型值点计算控制点V_i，然后根据求得的控制点V_i计算曲线上的插值点P，其插值公式如下所示：

$P\left(u\right)=\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{B}_{i,n}\left(u\right)V_i$

其中P(u)为曲线上对应于参数变量u的插值点，n为曲线单元的次数，i为整型循环变量，i＝0，1，2，...，n，V_i为曲线单元的控制点，B_i，n(u)为第i个n次B样条基函数。

其中，所述步骤S4具体包括：

S4.1：确定骨架曲线上对应于模型曲面上的控制点的一组关键点；

S4.2：根据偏移前后的关键点的位移变化计算曲线发生变形后的曲面控制点位置；

S4.3：根据偏移后的曲面控制点生成待建模植物的偏移后的虚拟模型，以合成动画。

其中，步骤S4.2具体为：

分别针对偏移前后的骨架曲线，构造局部坐标系，以骨架曲线上的曲线关键点M_k为坐标原点，以向量M_k+1-M_k-1为X轴以M_k+1-M_k和M_k-M_k-1的正交向量为Y轴

以

和

的正交向量作为Z轴

建立局部坐标系并正交单位化，偏移前后的局部坐标系分别记为O_k和O_k′，将曲线关键点M_k所对应的一排曲面控制点V_ij根据变形前后坐标系O_k和O_k′进行仿射变换，变换公式如下：

${V_{\mathrm{ij}}}^{\′}={{\mathrm{Ma}}_k}^{\′}{\mathrm{Ma}}_k^{-1}{V}_{\mathrm{ij}}$

式中Ma_k′为局部坐标系O_k′对应的仿射变换矩阵，

为局部坐标系O_k对应的仿射变换矩阵的逆矩阵，V_ij′为变换后的控制点。

其中，所述关键点M_k的个数等于模型曲面控制点V_ij沿曲线方向的排数。

(三)有益效果

本发明通过对植物整体的静态虚拟模型提取骨架曲线，对骨架曲线运动前后的变化，重新生成静态虚拟模型的方式来实现动画，从而实现了植物对象的精确、有效地且真实感较强地动画合成。

附图说明

图1是本发明实施例的一种植物动画合成方法流程图；

图2是植物(玉米)植株和叶片的静态虚拟模型；

图3是植物(玉米)虚拟模型对应的骨架曲线；

图4是在植物上特征点构成示意图；

图5是特征点空间分布和拓扑结构；

图6是骨架曲线变形前后示意图；

图7是根据骨架曲线生成虚拟模型曲面的示意图；

图8是植物(玉米)真实感动画合成效果。

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。

本实施例以玉米植株为例对本发明进行详细说明，如图1所示，本实施例的植物动画合成方法包括：

步骤S101，提取待建模植物的整体静态虚拟模型的三维空间骨架曲线，骨架曲线为所述静态虚拟模型的几何中心线，定义为三维虚拟模型几何上的中心线。

具体地，使用FASTSCAN三维激光扫描仪扫描玉米主要器官，包括叶片、主茎等，扫描的数据经软件处理后以obj文件形式存储。

根据玉米的空间拓扑结构，以器官为单位，对扫描数据进行划分，以叶片为划分单元，叶片包含叶鞘部分，分别建立各器官的虚拟模型，以该植物对象的空间拓扑结构为约束，将各器官虚拟模型拼接为植物对象的整体虚拟模型。器官虚拟模型构建方法可采用样条曲面插值生成，通常对于器官模型采用10×5排控制点，使用的NURBS曲面如下：

$P(u,w)=\frac{\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{B}_{i,k}\left(u\right)\·B_{j,h}\left(w\right)\·W_{i,j}\·V_{i,j}}{\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{B}_{i,k}\left(u\right)\·B_{j,h}\left(w\right)\·W_{i,j}}$

式中P(u，w)为曲面上对应于参数变量(u，w)的插值点，n和m分别为曲面单元沿u向和w向的求和项数，i和j分别为整型循环变量，i＝(0，1，…，n)，j＝(0，1，…，m)，V_i，j(i＝(0，1，…，n)，j＝(0，1，…，m))为曲面单元的控制点网格，W_i，j(i＝(0，1，…，n)，j＝(0，1，…，m))为V_i，j对应的权重因子，k为u向曲面次数，B_i，k(u)为u向第i个k次B样条基函数，h为w向曲面次数，B_j，h(w)为W向第j个h次B样条基函数。

植物的静态建模已是现有技术，此处不再敖述，具体见参考文献：

肖伯祥，郭新宇，王纪华等.玉米叶片形态建模与网格简化算法研究.中国农业科学2007，40(4)：693-697。

肖伯祥，郭新宇，郑文刚等.玉米雌穗几何造型研究.工程图学学报，2007，28(2)：64-67。

肖伯祥，郭新宇，王丹虹等.玉米雄穗几何造型研究.玉米科学，2006，14(4)：162-164。

建立的玉米静态虚拟模型如图2所示。

在提取骨架曲线时，根据待建模植物的器官提取器官骨架曲线；拼接各个器官骨架曲线，建立整个植物的骨架曲线。根据提取的各器官骨架曲线建立的骨架模型如图3所示，骨架曲线所在的空间位置反映其所对应的植物虚拟模型的几何中心线；骨架模型与虚拟模型之间一一对应。

步骤S102：在连续的运动捕捉时间序列内，根据待建模植物上设置的运动捕捉特征点捕捉所述待建模植物的运动，并记录捕捉到的运动数据帧。

特征点将运动捕捉设备周围发光装置发出的红外线反射进运动捕捉设备的摄像头，以使运动捕捉设备记录捕捉到的运动数据帧。如图4所示，特征点是由红外敏感的反光贴和轻质半球形垫片组成，反光贴完全覆盖垫片，并粘贴在植物体表面，通常放置在植物上和骨架曲线对应的特征部位，从而形成半球形凸起的红外敏感的反光标记。其中，半球形垫片半径为1～2毫米，因此，特征点质量小，不影响植物的空间形态和运动。当然本实施例中不限于采用现有技术中其它的运动捕捉方式。例如，在玉米叶片和茎秆表面设置运动捕捉特征点，特征点放置在叶脉曲线的部位，每条叶脉曲线放置4个特征标记点，从基部向叶尖依次为1～4点，如图5所示为该7片叶子的玉米上所放置的特征标记点布局，同时对该植物对象施加外力作用，在叶尖点施加拉伸力，使其发生运动变形，使用运动捕捉设备捕捉植物对象的运动，并记录运动捕捉数据，运动捕捉帧率20帧/秒，每段数据捕捉时长10秒。帧率越高最后模拟的动画中植物运动的连续性就越强。

步骤S103，逐帧计算数据帧中的特征点所发生的位置偏移量，计算所述骨架曲线上与所述特征点对应的标记点的偏移量，并重建偏移后的骨架曲线。具体步骤如下：

1、读取记录的一帧运动数据帧。

2、根据运动数据帧中特征点所发生的位置偏移量计算所述骨架曲线上与特征点对应的标记点的偏移量，以确定标记点的位置。每一个叶片上的标记点记为MA_j(j＝1，2，…，q)，q为对应叶片上设置的标记点的个数。

3、根据标记点进行曲线插值生成偏移后的骨架曲线，本实施例中曲线插值的方式采用B样条曲线插值。

插值过程首先以标记点MA_j作为型值点，个数为q，计算曲线控制点V_i，采用三次B样条曲线插值(不限于三次B样条曲线插值)，控制点个数为q+2，计算方法如公式所示：

$\left[\begin{array}{ccccccc}{a}_{11}& a_{12}& & & & & \\ a_{21}& a_{22}& a_{23}& & & & \\ & a_{32}& a_{33}& a_{34}& & & \\ & & ...& ...& ...& & \\ & & & a_{(q-2)(q-3)}& q_{(q-2)(q-2)}& q_{(q-2)(q-1)}& \\ & & & & q_{(q-1)(q-2)}& q_{(q-1)(q-1)}& q_{(q-1)q}\\ & & & & & a_{q(q-1)}& a_{\mathrm{qq}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{V}_2\\ V_3\\ V_4\\ ...\\ V_{q-1}\\ V_q\\ V_{q+1}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{6\mathrm{MA}}_1\\ {\mathrm{MA}}_2\\ {\mathrm{MA}}_3\\ ...\\ {\mathrm{MA}}_{q-2}\\ {\mathrm{MA}}_{q-1}\\ {6\mathrm{MA}}_q\end{array}\right]$

V₁＝P₁，V_q+2＝P_q

其中，系数矩阵a由三次B样条插值基函数所构成；

然后根据求得的控制点V_i计算曲线上的插值点P，其插值公式如下所示：

$P\left(u\right)=\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{B}_{i,n}\left(u\right)V_i$

其中P(u)为曲线上对应于参数变量u的插值点，n为曲线单元的次数，i为整型循环变量，i＝0，1，2，…，n，V_i为曲线单元的控制点，B_i，n(u)为第i个n次B样条基函数，同样采用三次B样条插值基函数。如图6所示，为曲线变形后，经过4个标记点插值前后的骨架曲线，(a)为插值前的骨架曲线，(b)为插值后的骨架曲线。

4、重复执行步骤1～3，得到若干运动数据帧对应的偏移后的骨架曲线。

步骤S104，根据偏移后的骨架曲线生成待建模植物的偏移后的虚拟模型，以合成动画。如图7所示，具体步骤为：

如图7中(a)所示，确定骨架曲线上对应于模型曲面上的控制点V_ij的一组关键点M_k。为了得到形变前的静态虚拟模型相同的真实感，所述关键点M_k的个数优选等于在建立静态模型时，模型曲面控制点V_ij沿曲线方向的排数。

如图7中(b)、(c)所示，根据偏移前后的关键点M_k的位移变化计算曲线发生变形后的曲面控制点V_ij位置。本实施例中，分别针对偏移前后的骨架曲线，构造局部坐标系，以骨架曲线上的曲线关键点M_k为坐标原点，以向量M_k+1-M_k-1为X轴

以M_k+1-M_k和M_k-M_k-1的正交向量为Y轴

以

和的正交向量作为Z轴

建立局部坐标系并正交单位化，偏移前后的局部坐标系分别记为O_k和O_k′，将曲线关键点M_k所对应的一排曲面控制点V_ij根据变形前后坐标系O_k和O_k′进行仿射变换，变换公式如下：

式中Ma_k′为局部坐标系O_k′对应的仿射变换矩阵，

为局部坐标系O_k对应的仿射变换矩阵的逆矩阵，V_ij′为变换后的控制点。

根据偏移后的曲面控制点V_ij′生成待建模植物的偏移后的虚拟模型，以合成动画。

如图8所示，根据连续的运动捕捉数据时间序列，以60帧/秒，10秒为例，每组数据共包含600帧，逐帧实施上述过程，实现运动捕捉数据驱动的植物动态模拟和动画合成，图8示出了采用本实施例方法的玉米高真实感的动画合成效果。

本发明的植物动画合成方法可以广泛用于各种的植物的动画合成。

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)

1.一种植物动画合成方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：提取待建模植物整体的静态虚拟模型的三维空间骨架曲线，所述骨架曲线为所述静态虚拟模型的几何中心线；

S2：在连续的运动捕捉时间序列内，根据待建模植物上设置的运动捕捉特征点捕捉所述待建模植物的运动，并记录捕捉到的运动数据帧；

S3：逐帧计算所述数据帧中的特征点所发生的位置偏移量，计算所述骨架曲线上与所述特征点对应的标记点的偏移量，并重建偏移后的骨架曲线；

S4：根据偏移后的骨架曲线生成待建模植物的偏移后的静态虚拟模型，以合成动画，步骤S4具体包括：

S4.1：确定骨架曲线上对应于模型曲面上的控制点的一组关键点；

S4.2：根据偏移前后的关键点的位移变化计算曲线发生变形后的曲面控制点位置，具体包括：

分别针对偏移前后的骨架曲线，构造局部坐标系，以骨架曲线上的曲线关键点M_k为坐标原点，以向量M_k+1-M_k-1为X轴以M_k+1-M_k和M_k-M_k-1的正交向量为Y轴

以

和

的正交向量作为Z轴

建立局部坐标系并正交单位化，偏移前后的局部坐标系分别记为O_k和O_k'，将曲线关键点M_k所对应的一排曲面控制点V_ij根据变形前后坐标系O_k和O_k'进行仿射变换，变换公式如下：

$V_{\mathrm{ij}}\′={\mathrm{Ma}}_k\′{\mathrm{Ma}}_k^{-1}{V}_{\mathrm{ij}}$

式中Ma_k'为局部坐标系O_k'对应的仿射变换矩阵，

为局部坐标系O_k对应的仿射变换矩阵的逆矩阵,V_ij'为变换后的控制点；

S4.3：根据偏移后的曲面控制点生成待建模植物的偏移后的静态虚拟模型，以合成动画。

2.如权利要求1所述的植物动画合成方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：

S1.1：根据所述待建模植物的器官提取器官骨架曲线；

S1.2：拼接所述器官骨架曲线，建立整个植物的骨架曲线。

3.如权利要求1所述的植物动画合成方法，其特征在于，所述步骤S2中捕捉所述待建模植物的运动的方式为：

所述特征点将运动捕捉设备周围发光装置发出的红外线反射进运动捕捉设备的摄像头，以使所述运动捕捉设备记录捕捉到的运动数据帧，所述特征点是由红外敏感的反光贴和轻质半球形垫片组成，反光贴完全覆盖垫片，并粘贴在植物体表面，从而形成半球形凸起的红外敏感的反光标记。

4.如权利要求3所述的植物动画合成方法，其特征在于，所述半球形垫片半径为1～2毫米。

5.如权利要求1所述的植物动画合成方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：

S3.1：读取记录的一帧运动数据帧；

S3.2：根据所述运动数据帧中特征点所发生的位置偏移量计算所述骨架曲线上与所述特征点对应的标记点的偏移量，以确定所述标记点的位置；

S3.3：根据所述标记点进行曲线插值生成偏移后的骨架曲线；

S3.4：重复执行步骤S3.1～S3.3，得到若干运动数据帧对应的偏移后的骨架曲线。

6.如权利要求5所述的植物动画合成方法，其特征在于，所述步骤S3.3中曲线插值的方式为B样条曲线插值，首先以所述标记点作为型值点计算控制点V_i，然后根据求得的控制点V_i计算曲线上的插值点P，其插值公式如下所示：

$P\left(u\right)=\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{B}_{i,n}\left(u\right)V_i$

其中P(u)为曲线上对应于参数变量u的插值点，n为曲线单元的次数，i为整型循环变量，i=0,1,2,…,n，V_i为曲线单元的控制点，B_i,n(u)为第i个n次B样条基函数。

7.如权利要求1所述的植物动画合成方法，其特征在于，所述关键点M_k的个数等于模型曲面控制点V_ij沿曲线方向的排数。

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