CN102945559B - 叶片干枯褶皱的模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种叶片干枯褶皱的模拟方法，所述方法包括以下步骤：A、从干枯叶片中生成褶皱法向纹理；B、对褶皱法向纹理进行处理，得到无缝褶皱法向纹理；C、将无缝褶皱法向纹理叠加到正常叶片的法向纹理上，得到干枯叶片法向纹理。本发明通过引入褶皱法向纹理对叶片法向纹理进行扰动，从像素空间上对叶片干枯褶皱进行模拟，该方法与网格的数量无关，不涉及物理计算，提高了计算速度。

Description

叶片干枯褶皱的模拟方法

技术领域

本发明涉及计算机模拟技术领域，特别涉及一种叶片干枯褶皱的模拟方法。

背景技术

植物的形态特性模拟是计算机图形学、数字植物领域的重要研究内容。植物的形态是一个动态变化的过程，在不同环境条件的影响下，植物的形态结构会发生显著变化。叶子作为植物的重要器官，其形态也会随着外部环境及其内部生理进程而发生变化，比如叶片失水之后会发生干枯，从而导致叶片表面出现收缩、褶皱等变形。在数字植物领域内，对于植物特性的智能表达是较基础性的工作，其对完善数字植物技术体系、增强数字植物与农业研究应用的联系起到重要作用。对于开发植物叶片的干枯模拟方法，具有重要的意义。

近几年，植物叶片失水变形模拟的方法得到了一定的发展。现有技术采用基于物理变形方法模拟叶片的干枯变形，该方法首先构造叶片的物理结构，然后通过设置物理属性、施加外力或更改初始条件等方法来实现叶片的动态变形，该方法能够反映叶片的物理属性，结果真实可信。

然而，基于物理变形方法模拟叶片的干枯变形需要获得类似褶皱、萎缩等变形特征，需要采用精细网格，并且通过进行物理模拟时，整个过程计算量大，其运行速度慢，不能应用到实时的模拟之中。

发明内容

(一)解决的技术问题

本发明解决的技术问题是：基于物理变形等方法需要精细网格且计算速度慢的问题。

(二)技术方案

本发明提出了一种叶片干枯褶皱的模拟方法，所述方法包括以下步骤：

A、从干枯叶片中生成褶皱法向纹理；

B、对褶皱法向纹理进行处理，得到无缝褶皱法向纹理；

C、将无缝褶皱法向纹理叠加到正常叶片的法向纹理上，得到干枯叶片法向纹理。

优选地，步骤B中所述对褶皱方向纹理进行处理的方法为：将任意一个褶皱法向纹理图像坐标为(i,j)的像素点m与坐标为((i+0.5×w)mod w,(j+0.5×h)mod h)的像素点n进行融合；其中，w和h分别为褶皱法向纹理图像的长度和宽度。

优选地，将所述像素点m和所述像素点n根据以下公式进行融合：

$\left\{\begin{array}{c}{p}_1=(i-0.5\×h)/h\\ p_2=(j-0.5\×w)/w\\ p=\frac{(p_1+p_2-|p_1-p_2\left|\right)}{0.5-0.5\×|p_1-p_2|}\\ m=m\×(1-p)+n\×p\end{array}\right.$

其中，p1、p2、p分别为褶皱法向纹理图像长度方向的融合因子、宽度方向的融合因子和全局融合因子。

优选地，步骤B中所述无缝褶皱法向纹理的上下边缘和左右边缘连续。

优选地，步骤C具体包括：

所述将无缝褶皱法向纹理叠加到正常叶片的法向纹理上，得到干枯叶片法向纹理根据以下叠加公式实现：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{Wrinkle}(i,j)}=(1-\mathrm{ks})\×V_z+\mathrm{ks}\×V_{\mathrm{Wrinkle}(i,j)}\\ V_{\mathrm{WrinkleNormal}(i,j)}\·r=V_{\mathrm{Wrinkle}(i,j)}\·r+V_{\mathrm{Normal}(i,j)}\·r\\ V_{\mathrm{WrinkleNormal}(i,j)}\·g=V_{\mathrm{Wrinkle}(i,j)}\·g+V_{\mathrm{Normal}(i,j)}\·g\\ V_{\mathrm{WrinkleNormal}(i,j)}\·b=V_{\mathrm{Wrinkle}(i,j)}\·b\×V_{\mathrm{Normal}(i,j)}\·b\end{array}\right.$

其中，V_{Wrinkle(i，j)}为一个三维向量，表示褶皱法向纹理图中坐标为(i,j)的像素点的RGB值，V_{Normal(i，j)}表示叶片法向纹理图中坐标为(i,j)的像素点的RGB值，V_{WrinkleNormal(i，j)}表示干枯叶片法向纹理图中坐标为(i,j)的像素点的RGB值；V_{WrinkleNormal(i，j)}·r、V_{WrinkleNormal(i，j)}·g和V_{WrinkleNormal(i，j)}·b分别表示像素点V_{WrinkleNormal(i，j)}的R颜色分量值、G颜色分量值和B颜色分量值；V_{Wrinkle(i，j)}·r、V_{Wrinkle(i，j)}·g和V_{Wrinkle(i，j)}·b分别表示像素点V_{Wrinkle(i，j)}的R颜色分量值、G颜色分量值和B颜色分量值；V_{Normal(i，j)}·r、V_{Normal(i，j)}·g和V_{Normal(i，j)}·b分别表示像素点V_{Normal(i，j)}的R颜色分量值、G颜色分量值和B颜色分量值；ks为褶皱比例因子；V_z为一个三维向量，取值为(0,0,1)。

优选地，步骤C之后还包括：对所述干枯叶片法向纹理进行坐标变换操作，得到另一种干枯叶片法向纹理。

优选地，所述操作包括旋转、缩放和平移中的至少一种。

优选地，其特征在于，所述干枯叶片法向纹理坐标变换矩阵为：

$\left[\begin{array}{ccc}k\×\cos a& -\sin a& T_x\\ \sin a& k\×\cos a& T_y\\ 0& 0& 1\end{array}\right]$

其中，k为缩放因子，a为旋转角度,Tx、Ty分别为在U、V方向的偏移量，U方向为褶皱法向纹理图像的长度w方向，V方向为褶皱法向纹理图像的宽度h方向。

(三)有益效果

本发明通过引入褶皱法向纹理对叶片法向纹理进行扰动，从像素空间上对叶片干枯褶皱进行模拟，该方法与网格的数量无关，不涉及物理计算，提高了计算速度。

附图说明

图1为本发明提出的一种叶片干枯褶皱的模拟方法流程图；

图2为本发明提出的使用不同褶皱比例因子进行叠加得到的干枯叶片法向纹理图；

图3为本发明提出的在不同缩放因子下得到的褶皱方向纹理图；

图4为本发明提出的在不同旋转角度下得到的褶皱方向纹理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本发明提出了一种叶片干枯褶皱的模拟方法，所述方法包括以下步骤：

A、从干枯叶片中生成褶皱法向纹理；

B、对褶皱法向纹理进行处理，得到无缝褶皱法向纹理；

C、将无缝褶皱法向纹理叠加到正常叶片的法向纹理上，得到干枯叶片法向纹理。

本发明是从真实的干枯叶片中生成褶皱法向纹理，对于生成褶皱法向纹理的方法与通用的生成法向纹理法线贴图的方法相同；在本发明的后续步骤中，有时会将褶皱法向纹理进行多张融合，如将正常叶片法向纹理与褶皱法向纹理进行融合，但初始的法向纹理图的边缘之间会有明显的突变，这会造成最终的结果产生明显的失真，为此，需要对褶皱法向纹理进行处理，得到上下边缘、左右边缘连续的无缝褶皱法向纹理；

对褶皱法向纹理进行处理的方法为：将任意一个褶皱法向纹理图像坐标为(i,j)的像素点m与坐标为((i+0.5×w)_mod w,(j+0.5×h)_modh)的像素点n进行融合；其中，w和h分别为褶皱法向纹理图像的长度和宽度，融合公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{p}_1=(i-0.5\×h)/h\\ p_2=(j-0.5\×w)/w\\ p=\frac{(p_1+p_2-|p_1-p_2\left|\right)}{0.5-0.5\×|p_1-p_2|}\\ m=m\×(1-p)+n\×p\end{array}\right.$     公式1

其中，p1、p2、p分别为褶皱法向纹理图像长度方向的融合因子、宽度方向的融合因子和全局融合因子。

步骤B中所述无缝褶皱法向纹理的上下边缘和左右边缘连续。

一般情况下，进行叶片干枯褶皱模拟的大体思路是将正常状态下的叶片法向纹理与褶皱法向纹理进行一定的融合。正常叶片法向纹理包含了叶片自身固有的一些重要的表面信息，例如叶脉、表面的空洞等细节，所以不能简单地将叶片法向纹理与褶皱法向纹理进行加权平均，这样会导致一些表面信息的丢失，为此，需将褶皱法向纹理叠加到叶片法向纹理之上，生成一张最终状态的干枯叶片法向纹理，步骤C中将无缝褶皱法向纹理叠加到正常叶片的法向纹理上，得到干枯叶片法向纹理的方法通过以下叠加公式实现：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{Wrinkle}(i,j)}=(1-\mathrm{ks})\×V_z+\mathrm{ks}\×V_{\mathrm{Wrinkle}(i,j)}\\ V_{\mathrm{WrinkleNormal}(i,j)}\·r=V_{\mathrm{Wrinkle}(i,j)}\·r+V_{\mathrm{Normal}(i,j)}\·r\\ V_{\mathrm{WrinkleNormal}(i,j)}\·g=V_{\mathrm{Wrinkle}(i,j)}\·g+V_{\mathrm{Normal}(i,j)}\·g\\ V_{\mathrm{WrinkleNormal}(i,j)}\·b=V_{\mathrm{Wrinkle}(i,j)}\·b\×V_{\mathrm{Normal}(i,j)}\·b\end{array}\right.$     公式2

其中，V_{Wrinkle(i，j)}为一个三维向量，表示褶皱法向纹理图中坐标为(i,j)的像素点的RGB值，V_{Normal(i，j)}表示叶片法向纹理图中坐标为(i,j)的像素点的RGB值，V_{WrinkleNormal(i，j)}表示干枯叶片法向纹理图中坐标为(i,j)的像素点的RGB值；V_{WrinkleNormal(i，j)}·r、V_{WrinkleNormal(i，j)}·g和V_{WrinkleNormal(i，j)}·b分别表示像素点V_{WrinkleNormal(i，j)}的R颜色分量值、G颜色分量值和B颜色分量值；V_{Wrinkle(i，j)}·r、V_{Wrinkle(i，j)}·g和V_{Wrinkle(i，j)}·b分别表示像素点V_{Wrinkle(i，j)}的R颜色分量值、G颜色分量值和B颜色分量值；V_{Normal(i，j)}·r、V_{Normal(i，j)}·g和V_{Normal(i，j)}·b分别表示像素点V_{Normal(i，j)}的R颜色分量值、G颜色分量值和B颜色分量值；ks为褶皱比例因子，ks越大，褶皱法向纹理在最终生成的干枯叶片法向纹理图中所占比例越大；V_z为一个三维向量，取值为(0,0,1)。图2(a)、(b)、(c)分别为对同一个褶皱法向纹理图和叶片法向纹理图利用上述方法进行叠加操作时，ks分别取值为0、0.5、1.0时生成的干枯叶片法向纹理图。

由于上述方法得到的干枯叶片法向纹理图是唯一的，为了使得生成的干枯叶片法向纹理呈现多种风格，增加褶皱的形态变化，步骤C之后还包括：对生成的干枯叶片法向纹理进行坐标变换操作，所述操作至少包括旋转、缩放和平移中的一种。

由于在步骤B中对褶皱法向纹理进行了处理，得到了无缝褶皱法向纹理，因此不需要担心在纹理坐标进行变换之后多张纹理融合时产生的缝隙问题，无论褶皱纹理如何融合，得到的效果都是光滑平缓的，其中，干枯叶片法向纹理坐标变换矩阵为：

$\left[\begin{array}{ccc}k\×\cos a& -\sin a& T_x\\ \sin a& k\×\cos a& T_y\\ 0& 0& 1\end{array}\right]$     公式3

其中，k为缩放因子，a为旋转角度,Tx、Ty分别为在U、V方向的偏移量，U方向为褶皱法向纹理图像的长度w方向，V方向为褶皱法向纹理图像的宽度h方向。

图3为采用值为0.5、1.0、1.9的三个缩放因子对图2(c)所示的纹理图进行缩放得到的纹理图；图4为采用值为0、90、135的旋转角度对图2(c)所示的纹理图进行旋转后得到的纹理图。

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)

1.一种叶片干枯褶皱的模拟方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

A、从干枯叶片中生成褶皱法向纹理；

B、对褶皱法向纹理进行处理，得到无缝褶皱法向纹理；

C、将无缝褶皱法向纹理叠加到正常叶片的法向纹理上，得到干枯叶片法向纹理；

步骤B中所述对褶皱方向纹理进行处理的方法为：将任意一个褶皱法向纹理图像坐标为(i,j)的像素点m与坐标为((i+0.5×w)modw,(j+0.5×h)mod h)的像素点n进行融合；其中，w和h分别为褶皱法向纹理图像的长度和宽度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述像素点m和所述像素点n根据以下公式进行融合：

$\left\{\begin{array}{c}{p}_1=(i-0.5\×h)/h\\ p_2=(j-0.5\×w)/w\\ p=\frac{(p_1+p_2-|p_1-p_2\left|\right)}{0.5-0.5\×|p_1-p_2|}\\ m=m\×(1-p)+n\×p\end{array}\right.$

其中，p1、p2、p分别为褶皱法向纹理图像长度方向的融合因子、宽度方向的融合因子和全局融合因子。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤B中所述无缝褶皱法向纹理的上下边缘和左右边缘连续。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤C具体包括：

所述将无缝褶皱法向纹理叠加到正常叶片的法向纹理上，得到干枯叶片法向纹理根据以下叠加公式实现：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{Wrinkle}(i,j)}=(1-\mathrm{ks})\×V_z+\mathrm{ks}\×V_{\mathrm{Wrinkle}(i,j)}\\ V_{\mathrm{WrinkleNormal}(i,j)}\·r=V_{\mathrm{Wrinkle}(i,j)}\·r+V_{\mathrm{Normal}(i,j)}\·r\\ V_{\mathrm{WrinkleNormal}(i,j)}\·g=V_{\mathrm{Wrinkle}(i,j)}\·g\×V_{\mathrm{Normal}(i,j)}\·g\\ V_{\mathrm{WrinkleNormal}(i,j)}\·b=V_{\mathrm{Wrinkle}(i,j)}\·b\×V_{\mathrm{Normal}(i,j)}\·b\end{array}\right.$

其中，V_{Wrinkle(i，j)}为一个三维向量，表示褶皱法向纹理图中坐标为(i,j)的像素点的RGB值，V_{Normal(i，j)}表示叶片法向纹理图中坐标为(i,j)的像素点的RGB值，V_{WrinkleNormal(i，j)}表示干枯叶片法向纹理图中坐标为(i,j)的像素点的RGB值；V_{WrinkleNormal(i，j)}.r、V_{WrinkleNormal(i，j)}.g和V_{WrinkleNormal(i，j)}.b分别表示像素点V_{WrinkleNormal(i，j)}的R颜色分量值、G颜色分量值和B颜色分量值；V_{Wrinkle(i，j)}.r、V_{Wrinkle(i，j)}.g和V_{wrinkle(i，j)}.b分别表示像素点V_{Wrinkle(i，j)}的R颜色分量值、G颜色分量值和B颜色分量值；V_{Normal(i，j)}·r、V_{Normal(i，j)}.g和V_{Normal(i，j)}.b分别表示像素点V_{Normal(i，j)}的R颜色分量值、G颜色分量值和B颜色分量值；ks为褶皱比例因子；V_z为一个三维向量，取值为(0,0,1)。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤C之后还包括：对所述干枯叶片法向纹理进行坐标变换操作，得到另一种干枯叶片法向纹理。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述坐标变换操作包括旋转、缩放和平移中的至少一种。

7.根据权利要求5或6任一项所述的方法，其特征在于，所述干枯叶片法向纹理坐标变换矩阵为：

$\left[\begin{array}{ccc}k\×\cos a& -\sin a& T_x\\ \sin a& k\×\cos a& T_y\\ 0& 0& 1\end{array}\right]$

其中，k为缩放因子，a为旋转角度,Tx、Ty分别为在U、V方向的偏移量，U方向为褶皱法向纹理图像的长度w方向，V方向为褶皱法向纹理图像的宽度h方向。