CN102682464A

CN102682464A - 一种基于生长体空间的植物生长动画合成方法

Info

Publication number: CN102682464A
Application number: CN2012100934958A
Authority: CN
Inventors: 肖伯祥; 郭新宇; 赵春江; 吴升; 杜建军
Original assignee: Beijing Research Center for Information Technology in Agriculture
Current assignee: Beijing Research Center for Information Technology in Agriculture
Priority date: 2012-03-31
Filing date: 2012-03-31
Publication date: 2012-09-19
Anticipated expiration: 2032-03-31
Also published as: CN102682464B

Abstract

本发明公开了一种基于生长体空间的植物生长动画合成方法，涉及动画合成技术领域。所述方法包括步骤：在植物对象的各器官从开始生长到停止生长的阶段内的关键时期，进行特征点提取，建立各器官在关键时期的三维形态模板；在植物对象的生命周期内，记录各器官开始生长、停止生长、开始衰老和终止的时间节点；根据三维形态模板和时间节点，建立各器官的生长体空间；在生长体空间范围内，计算各器官在连续时间轴上的三维形态，并将各器官按照植株拓扑结构组合，得到植物对象生长过程的模拟动画。所述方法无需人工干涉，以实测数据为基础建立三维形态模板，进而采用体空间插值方法，实现了植物对象的高精度高真实感动态过程模拟和动画合成。

Description

一种基于生长体空间的植物生长动画合成方法

技术领域

本发明涉及动画合成技术领域，特别涉及一种基于生长体空间的植物生长动画合成方法。

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，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、生长过程动态模拟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生长过程动态模拟问题，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，基于真实测量数据，设计实现精确、有效的参数化动画合成方法，并开发实用工具具有重要的现实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：如何提供一种基于生长体空间的植物生长动画合成方法，以提高植物生长动画的真实感。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于生长体空间的植物生长动画合成方法，包括步骤：

S1：在植物对象的各器官从开始生长到停止生长的阶段内的关键时期，进行特征点提取，建立各器官在所述关键时期的三维形态模板；

S2：在所述植物对象的生命周期内，记录各器官开始生长、停止生长、开始衰老和终止的时间节点；

S3：根据所述三维形态模板和所述时间节点，建立各器官的生长体空间；

S4：在所述生长体空间范围内，计算各器官在连续时间轴上的三维形态，并将各器官按照植株拓扑结构组合，得到所述植物对象生长过程的模拟动画。

优选地，所述步骤S1中，所述关键时期包括，所述植物对象的各器官从开始生长到停止生长的阶段内的前期缓慢生长时期、快速生长时期和后期慢速生长时期。

优选地，所述步骤S1具体包括：在植物对象的各器官从开始生长到停止生长的阶段内的关键时期，采用三维数字化设备对各器官进行特征点提取，建立各器官在所述关键时期的三维形态模板。

优选地，所述步骤S2具体包括：在所述植物对象的生命周期内，以日期序号的形式记录各器官开始生长、停止生长、开始衰老和终止的时间节点。

优选地，所述日期序号以播种日期开始，并且记录播种当天的序号为1，之后以天为单位累加。

优选地，所述步骤S3具体包括：根据所述三维形态模板和所述时间节点，以B样条体插值方法建立各器官的生长体空间。

优选地，所述生长体空间方程如下：

P (u, w, t) = Σ_{k = 0}^{q} Σ_{i = 0}^{n} Σ_{j = 0}^{m} B_{i, n} (u) \times B_{j, m} (w) \times B_{k, q} (t) \times V_{i, j, k}

其中，p(u，w，t)表示对应于参数u，w，t的插值点；u表示器官模型曲面的横向坐标参数，介于0到1；w表示器官模型曲面的纵向坐标参数，介于0到1；t表示器官模型的时间坐标参数，介于0到1；i表示器官模型曲面的横向插值参数变量；j表示器官模型曲面的纵向插值参数变量；k表示器官模型的时间轴插值参数变量；n表示器官模型曲面的横向B样条插值次数；m表示器官模型曲面的纵向B样条插值次数；q表示器官模型的时间轴B样条插值次数；B_i，n(u)表示关于u的n次B样条基函数；B_j，m(w)表示关于w的m次B样条基函数；B_k，q(t)表示关于t的q次B样条基函数；V_i，j，k表示在时间为k时，器官模型曲面的第i行第j列个特征点。

优选地，所述n的数值为2或者3。

优选地，所述m的数值为2或者3。

优选地，所述q的数值为2或者3。

(三)有益效果

本发明的基于生长体空间的植物生长动画合成方法，无需人工干涉，以实测数据为基础建立三维形态模板，进而采用体空间插值方法，实现了植物对象的高精度高真实感动态过程模拟和动画合成，具有重要的现实意义和广阔的应用前景。

附图说明

图1是本发明实施例所述基于生长体空间的植物生长动画合成方法流程图；

图2是植物器官生长S型速率曲线示意图；

图3是所述生长体空间示意图；

图4是玉米叶片生长过程的体空间示意图；

图5是玉米叶片的生长过程动画示意图；

图6是整株玉米的生长过程动画示意图。

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。

图1是本发明实施例所述基于生长体空间的植物生长动画合成方法流程图，如图1所示，所述方法包括步骤：

S1：在植物对象的各器官从开始生长到停止生长的阶段内的关键时期，采用三维数字化设备对各器官进行特征点提取，建立各器官在所述关键时期的三维形态模板。所述关键时期包括，所述植物对象的各器官从开始生长到停止生长的阶段内的前期缓慢生长时期、快速生长时期和后期慢速生长时期。图2是植物器官生长S型速率曲线示意图，如图2所示，植物器官从开始生长到停止生长的阶段内的生长速率符合S型生长曲线，该生长曲线在三个关键时期(即前期缓慢生长时期、快速生长时期和后期慢速生长时期)内连续、平滑。所述三维形态模板由所述特征点构成，比如，某个关键时期玉米叶片的三维形态模板包含横向9行、纵向13列特征点。同时，需要说明的是，本发明方法假设植物器官停止生长后形态上不再改变，因此，无需建立植物器官停止生长后的三维形态模板。

S2：在所述植物对象的生命周期内，以日期序号的形式记录各器官开始生长、停止生长、开始衰老和终止的时间节点；所述日期序号以播种日期开始，并且记录播种当天的序号为1，之后以天为单位累加。比如，假设植物器官在第15天停止生长，则记录该时间节点的日期序号为15。该步骤中记录植物器官开始衰老的时间节点，以便在动画中模拟植物器官颜色的变化，不涉及植物器官形态的变化；植物器官终止的时间节点对应于动画中不再显示该植物器官的时间点。

S3：根据所述三维形态模板和所述时间节点，以B样条体插值方法建立各器官的生长体空间。所述B样条体是B样条在体空间内的意义延伸。图3是所述生长体空间示意图；图4是玉米叶片生长过程的体空间示意图。参考图3和图4，所述B样条体插值方法建立的生长体空间方程如下：

P (u, w, t) = Σ_{k = 0}^{q} Σ_{i = 0}^{n} Σ_{j = 0}^{m} B_{i, n} (u) \times B_{j, m} (w) \times B_{k, q} (t) \times V_{i, j, k}

其中，p(u，w，t)表示对应于参数u，w，t的插值点；u表示器官模型曲面的横向坐标参数，介于0到1；w表示器官模型曲面的纵向坐标参数，介于0到1；t表示器官模型的时间坐标参数，介于0到1；i表示器官模型曲面的横向插值参数变量，为自然数；j表示器官模型曲面的纵向插值参数变量，为自然数；k表示器官模型的时间轴插值参数变量，为自然数；n表示器官模型曲面的横向B样条插值次数，为自然数，优选为2或者3；m表示器官模型曲面的纵向B样条插值次数，为自然数，优选为2或者3；q表示器官模型的时间轴B样条插值次数，为自然数，优选为2或者3；B_i，n(u)表示关于u的n次B样条基函数；B_j，m(w)表示关于w的m次B样条基函数；B_k，q(t)表示关于t的q次B样条基函数；V_i，j，k表示在时间为k时，器官模型曲面的第i行第j列个特征点，器官模型曲面u向、w向，以及时间轴t向描述如图3所示。

S4：在所述生长体空间范围内，计算各器官在连续时间轴上的三维形态，从而连续实施器官模型的变形过程，然后将各器官按照植株拓扑结构组合，得到所述植物对象生长过程的模拟动画。图5是玉米叶片的生长过程动画示意图；图6是整株玉米的生长过程动画示意图。通过图5和图6可以看到，所述方法有效地实现了植物对象的高精度高真实感动态过程模拟和动画合成。

本发明实施例所述基于生长体空间的植物生长动画合成方法，无需人工干涉，以实测数据为基础建立三维形态模板，进而采用体空间插值方法，实现了植物对象的高精度高真实感动态过程模拟和动画合成，具有重要的现实意义和广阔的应用前景。

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

1.一种基于生长体空间的植物生长动画合成方法，其特征在于，包括步骤：

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述关键时期包括，所述植物对象的各器官从开始生长到停止生长的阶段内的前期缓慢生长时期、快速生长时期和后期慢速生长时期。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：在植物对象的各器官从开始生长到停止生长的阶段内的关键时期，采用三维数字化设备对各器官进行特征点提取，建立各器官在所述关键时期的三维形态模板。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：在所述植物对象的生命周期内，以日期序号的形式记录各器官开始生长、停止生长、开始衰老和终止的时间节点。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述日期序号以播种日期开始，并且记录播种当天的序号为1，之后以天为单位累加。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：根据所述三维形态模板和所述时间节点，以B样条体插值方法建立各器官的生长体空间。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述生长体空间方程如下：

P (u, w, t) = Σ_{k = 0}^{q} Σ_{i = 0}^{n} Σ_{j = 0}^{m} B_{i, n} (u) \times B_{j, m} (w) \times B_{k, q} (t) \times V_{i, j, k}

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述n的数值为2或者3。

9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述m的数值为2或者3。

10.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述q的数值为2或者3。