CN103077554A - 基于节单位的作物交互式设计方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于节单位的作物交互式设计方法和系统，通过对作物的植株以节为单位构建所述作物各个器官的器官网格模板，并标准化得到标准化器官网格模板；选定所述标准化器官网格模板的顺序，对选定的器官网格模板按所述植株参数进行参数化得到参数化器官网格模板，再进行组装得到植株模型；对所述植株模型在各个器官的组装点进行网格融合，得到所述作物的植株几何模型，为以节为单位生长的作物三维模型的生成提供一种快速方便的设计手段，而且设计出的作物三维模型与实际作物具有一致的拓扑结构，同时仍具有较高的细节特征。

Description

基于节单位的作物交互式设计方法和系统

技术领域

本发明涉及植物形态结构建模领域，尤其涉及基于节单位的作物交互式设计方法和系统。

背景技术

植物的三维形态结构一直是生物学、农学等领域研究的重要内容，计算机技术的发展使植物三维形态结构虚拟建模成为可能。特别是近年来，随着计算机软硬件技术的迅速发展和虚拟现实技术在植物建模领域应用的不断深入，数字植物三维形态建模与计算机辅助设计成为国内外研究热点。植物三维形态结构建模是数字植物研究面临的首要问题，交互式建模方法通过定义一系列的形态结构参数并通过对参数的编辑实现植物模型的构建与实时交互控制，所以三维形态交互式设计是实现数字植物形态结构建模的重要技术手段之一。而面向科学研究、高校教学、品种推广、技术培训、虚拟仿真不同应用领域,对植物三维形态交互式设计软件产生不同的需求。

国内外在植物交互式设计方面开展了一些工作，如《植物三维形态数字化设计评价指标体系探讨》一文和《农林植物生长系统虚拟设计与仿真》一书中介绍了一些国内外植物三维形态设计方法与软件系统，其中包含L-系统、基于参数化的植株交互式设计方法、基于交互式骨架模型的交互式设计方法等。

1.L-系统

L-系统为在一定规则的基础上生成的植株骨架模型，该方法生成作物植株有明显的规律性，真实感不高。

2．基于参数化的植株交互式设计方法

基于参数化的植株交互式设计方法对植株的主要形态参数进行调整，从而得到真实感较高的植株骨架模型。

3.基于交互式骨架模型的交互式设计方法

基于交互式骨架模型的交互式设计方法更是直接通过人工对植株骨架进行交互，得到任意形态的植株骨架。

以上三种方法都是先生成植物的植株骨架，再进一步在此基础上生成器官表面的网格模型，而如此生成的网格模型容易受骨架的约束，无法反映出植物表面的细节特征，导致所设计的植株三维模型真实感仍有待提高。

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，针对上述缺陷，如何保证植株三维模型的真实感的同时，快速便捷地进行植物三维模型的交互式设计，使设计出的植物表面的网格模型能够反映出更多的细节特征。

（二）技术方案

为解决上述问题，本发明提供了基于节单位的作物交互式设计方法，所述方法具体包括：

A：对作物的植株以节为单位构建所述作物各个器官的器官网格模板，并标准化得到标准化器官网格模板；

B：选定所述标准化器官网格模板并进行排序，将各器官模板按植株参数进行参数化得到参数化器官网格模板，再进行组装得到植株模型；

C：对所述植株模型在各个器官的组装点进行网格融合，得到所述作物的植株几何模型。

优选地，所述步骤A具体包括：

A1：对所述作物的植株以节为单位获取三维点云数据；

A2：对所述三维点云数据进行去噪、分割、均匀重采样处理，得到所述作物的各个器官的点云数据；

A3：根据得到的各个器官的点云数据生成所述作物各个器官的器官网格模板；

A4：对所述器官网格模板进行标准化处理得到所述标准化器官网格模板。

优选地，所述步骤A4中的对所述器官网格模板进行标准化处理包括对所述作物的节间模板进行标准化处理，具体为：

将各个节间模板标准化为类似圆柱体，所述节间的下表面中心点标准化为所述节间模板的起始生长点，所述节间的上表面中心点标准化为所述节间模板的终止生长点。

优选地，所述步骤B具体包括：

B1：选择所述作物各个器官的标准化器官网格模板；

B2：对所述器官网格模板进行参数化处理，得到所述参数化器官网络模板；

B3：按顺序将所述参数化器官网络模板进行组装得到所述植株模型。

优选地，所述步骤C中的对所述植株模型在各个器官的组装点进行网格融合具体包括：

C1：对所述植株模型各个器官的每个组装点给定阈值，并对所有距离所述组装点小于所述阈值的点进行重采样；

C2：对重采样后的点进行网格融合。

为解决上述问题，本发明还提供了基于节单位的作物交互式设计系统，所述系统具体包括：

器官网格模板单元、网格模板组装单元和网格融合单元；

所述器官网格模板单元，对作物的植株以节为单位构建所述作物各个器官的器官网格模板，并标准化得到标准化器官网格模板；

所述网格模板组装单元，选定所述标准化器官网格模板并进行排序，将各器官模板按植株参数进行参数化得到参数化器官网格模板，再进行组装得到植株模型；

所述网格融合单元，对所述植株模型在各个器官的组装点进行网格融合，得到所述作物的植株几何模型。

优选地，所述器官网格模板单元具体包括：三维点数据获取单元、三维点数据处理单元、器官网格模板生成单元和器官网格模板标准化单元；

所述三维点数据获取单元，对所述作物的植株以节为单位获取三维点云数据；

所述三维点数据处理单元，对所述三维点云数据进行去噪、分割、均匀重采样处理，得到所述作物的各个器官的点云数据；

所述器官网格模板生成单元，根据得到的各个器官的点云数据生成所述作物各个器官的器官网格模板；

所述器官网格模板标准化单元，对所述器官网格模板进行标准化处理得到所述标准化器官网格模板。

优选地，所述网格模板组装单元具体包括：排序单元、参数化单元和组装操作单元；

所述排序单元，选定所述标准化器官网格模板并进行排序；

所述参数化单元，将各器官模板按植株参数进行参数化得到参数化器官网格模板；

所述组装操作单元，按顺序将所述参数化器官网格模板进行组装得到植株模型。

优选地，所述网格融合单元具体包括：重采样单元和网格化单元

所述重采样单元，对各个器官的每个组装点给定阈值，并在所有距离所述组装点小于所述阈值的点进行重采样；

所述网格化单元，对重采样后的进行网格化。

（三）有益效果

本发明提出了基于节单位的作物交互式设计方法和系统，通过对作物的植株以节为单位构建所述作物各个器官的器官网格模板，并标准化得到标准化器官网格模板；对选定的器官网格模板按所述植株参数进行参数化得到参数化器官网格模板，再进行组装得到植株模型；对所述植株模型在各个器官的组装点进行网格融合，得到所述作物的植株几何模型，为以节为单位生长的作物三维模型的生成提供一种快速方便的设计手段，而且设计出的作物三维模型与实际作物具有一致的拓扑结构，同时仍具有较高的细节特征。

附图说明

图1为基于节单位的作物交互式设计方法的步骤流程图；

图2为基于节单位的作物交互式设计方法中步骤A的步骤流程图；

图3为基于节单位的作物交互式设计方法中步骤B的步骤流程图；

图4为基于节单位的作物交互式设计方法中步骤C的步骤流程图；

图5为基于节单位的作物交互式设计系统的组成示意图。

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。

实施例一

实施例一中提供了基于节单位的作物交互式设计方法，步骤流程如图1所示。

以节为单位进行生长的作物就是作物的茎秆呈现明显的分段结构，而每个分段结构即为作物的节。这种以节为单位进行生长的作物包括：玉米、甘蔗、小麦等，本实施例中以玉米举例说明。每段节就是一个设计单元，称为节单位，如玉米的一段茎秆就是一个节单位。

基于节单位的作物交互式设计方法具体包括以下步骤：

步骤A：对作物的植株以节为单位构建所述作物各个器官的器官网格模板，并标准化得到标准化器官网格模板。

具体的，步骤A的步骤流程图如图2所示，具体包括以下步骤：

步骤A1：对作物的植株以节为单位获取三维点云数据。用三维扫描仪对预设计的玉米植株进行扫描，对玉米的主要器官的三维点云数据进行采集。玉米的主要器官（地上部分）包括节间、叶片（含叶鞘）、雌穗和雄穗。采用三维激光扫描技术可以直接得到真实物体表面的空间采集点，即点云数据，利用点云数据就可以重构三维物体表面，这种建模方法采用非接触测量，速度快，精度高，真实感强，且不受表面复杂度影响。

步骤A2：对步骤A1得到的三维点云数据进行去噪、分割、均匀重采样处理，得到作物的各个器官的点云数据。将玉米的各个器官以节为单位清晰地进行器官分割，分割出节间、叶片、雌穗和雄穗。

步骤A3：根据得到的各个器官（节间、叶片、雌穗和雄穗）的点云数据分别生成作物各个器官的器官网格模板，包括节间网格模板、叶片网格模板、雌穗网格模板和雄穗网格模板。而对于玉米的雄穗器官直接采用直接三维扫描建模的方法较难，可以采用基于参数化的器官建模方法构建雄穗网格模板。

根据点云数据生成网格模板的方法有很多，如泊松表面重建（Poisson surface reconstruction）、从面向点集的实体模型的重建（Reconstruction of solid models from oriented point sets）。

泊松表面重建（Poisson surface reconstruction）就是根据定向点云生成三角网格，算法原理为：点云的一致法向量近似等于示性函数在该点的梯度，运用散度操作符可以转化为求解一个泊松（Poisson）方程，最后用三维数据场等值面生成的经典算法—Marching cubes抽取等值面。

从面向点集的实体模型的重建（Reconstruction of solid modelsfrom oriented point sets）就是根据定向点云生成三角网格，即运用Stokes定理计算固体模型的特征函数，具体为计算特征函数的傅里叶（Fourier）系数，然后通过逆傅里叶变换得到特征函数，最后抽取等值面。

上述两种方法均能实现根据玉米器官的点云数据生成玉米器官的网格模板。

步骤A4：对器官网格模板进行标准化处理得到标准化器官网格模板。

将玉米各个器官网格模板标准化，并为各个器官模板指定起始生长点P_S与终止生长点P_Q，各个器官模板的起始生长点P_S都设置为x-y-z坐标系的原点(0,0,0)，各个器官模板起始生长点与终止生长点的具体设置如下：

1.节间模板（即一段玉米茎秆）：各个节间模板，将各个节间模板标准化为类似圆柱体（因为玉米节间的截面并不全部都是很规则的圆形），节间的下表面中心点标准化为节间模板的起始生长点P_S，节间的上表面中心点标准化为节间模板的终止生长点P_Q；

2.叶片模板（包含叶鞘在内）：各叶片模板保持其在植株上的叶倾角，起始生长点P_S为叶鞘最低中心点，终止生长点P_Q为叶尖点，且终止生长点P_Q在水平方向旋转至x轴上，即其y坐标为0；

3.雄穗模板：雄穗模板竖直向上，其起始生长点P_S为下表面中心点，终止生长点P_Q为雄穗最高点；

4.雌穗模板：雌穗模板竖直向上，其起始生长点P_S为穗根部点，终止生长点P_Q为雌穗最高点。

上述1—4中的竖直向上是指在空间直角右手坐标系中的z轴正向。

步骤B：选定标准化器官网格模板并进行排序，将各器官模板按植株参数进行参数化得到参数化器官网格模板，再进行组装得到植株模型。

具体的，步骤B的步骤流程图如图3所示，具体包括以下步骤：

步骤B1：选择作物各个器官的标准化器官网格模板。

针对预设计的玉米植株，其包括雌穗、雄穗、多个节间和与其相对应的叶片。选择各个标准化器官模板，并为每个已选择的节间编号i_stem相应的叶片模板编排单位序号i_leaf，0<i_stem<N，0<i_leaf＜N，N为预设计的玉米植株的节间总数。

步骤B2：对器官网格模板进行参数化处理，得到参数化器官网络模板，对预设计的玉米植株的各个器官网格模板进行参数化操作，各模板具体参数化方法如下（各个器官经过参数化操作后，其起始生长点P_S仍位于原点）：

1.节间网格模板：按照指定的旋转、缩放系数进行对应变换。由于进行之前的操作可能会使各个节间网格模板没有按照原始的方向对应，因此需要对节间网格模板在水平方向上进行指定角度的旋转；各个节间网格模板的大小可能也不一致，因此要将其按照指定的缩放系数进行缩小或放大。

以下2—4中的旋转和缩放的变换同理。

2．叶片网格模板：首先按照指定的缩放系数进行缩放，然后按照制定的方位角水平旋转至对应位置；

3.雄穗网格模板：按照指定的旋转、缩放系数进行对应变换；

4.雌穗网格模板：按照指定的缩放系数进行缩放，并为每个雌穗模板指定所生长叶片，并将雌穗模板按对应叶片的对应方位角进行水平旋转。

步骤B3：按顺序将参数化器官网络模板进行组装得到植株模型，就是将上述步骤构造好的各个参数化器官网络模板按照如下顺序与方法进行器官的组装（平移操作）：

1．节间网格模板：首先进行节间网格模板的组装，节间网格模板按照节间的编号进行升序操作，即第0_stem的起始生长点置于原点，i+1_stem的起始生长点P_S与i_stem的终止生长点P_Q重合，直至所有节间全部组装完成；

2.叶片网格模板：叶片网格模板按照叶片编号也进行升序操作，i_leaf的起始生长点P_S与i_stem的起始生长点P_S重合，并且和编号相同的节间网格模板相对应；

3.雄穗网格模板：雄穗的起始生长点P_S与最后一个节间模板的终止生长点P_Q重合；

4.雌穗网格模板：每个雌穗模板的起始生长点P_S与其预先指定的所在生长叶片的起始生长点P_S重合。

步骤C：对植株模型在各个器官的组装点进行网格融合，得到作物的植株几何模型。

具体的，步骤C的步骤流程图如图4所示，具体包括以下步骤：

步骤C1：对植株模型各个器官的每个组装点给定阈值，并对所有距离组装点小于阈值的点进行重采样。

假设对第2个节间和第3个节间的组装点P（组装点就是两个器官的指定重合点的位置），并给定组装点P的阈值s，对所有距离组装点P小于阈值s的点进行重采样。

步骤C2：采用三角网格融合方法对重采样后的点进行网格融合。网格融合的方法还有很多，本实施例只以三角网格融合方法进行说明，网格融合的目的就是使网格模型衔接更加自然。

最后得到了预设计玉米植株的几何模型。

通过使用上述方法，采用器官的组装思想实现植株的交互式设计，为以节为单位生长的作物三维模型的生成提供一种快速方便的设计手段，而且设计出的作物三维模型与实际作物具有一致的拓扑结构，同时仍具有较高的细节特征，提高真实感。

实施例二

为达到上述目的，本发明的实施例二中还提供了基于节单位的作物交互式设计系统，其组成示意图如图5所示，系统具体包括：

器官网格模板单元510、网格模板组装单元520和网格融合单元530。

器官网格模板单元510，对作物的植株以节为单位构建作物各个器官的器官网格模板，并标准化得到标准化器官网格模板。

器官网格模板单元具体包括：三维点数据获取单元511、三维点数据处理单元512、器官网格模板生成单元513和器官网格模板标准化单元514；

三维点数据获取单元511，对作物的植株以节为单位获取三维点云数据；

三维点数据处理单元512，对三维点云数据进行去噪、分割、均匀重采样处理，得到作物的各个器官的点云数据。

器官网格模板生成单元513，根据得到的各个器官的点云数据生成作物各个器官的器官网格模板。

器官网格模板标准化单元514，对器官网格模板进行标准化处理得到标准化器官网格模板。

将作物的各个节间模板标准化为类似圆柱体，节间的下表面中心点标准化为节间模板的起始生长点，节间的上表面中心点标准化为节间模板的终止生长点。

网格模板组装单元520，选定标准化器官网格模板并进行排序，将各器官模板按植株参数进行参数化得到参数化器官网格模板，再进行组装得到植株模型。

网格模板组装单元520具体包括：排序单元521、参数化单元522和组装操作单元523。

排序单元521，选定所述标准化器官网格模板并进行排序。

参数化单元522，将各器官模板按植株参数进行参数化得到参数化器官网格模板。

组装操作单元523，按顺序将参数化器官网格模板进行组装得到植株模型。

网格融合单元530，对植株模型在各个器官的组装点进行网格融合，得到作物的植株几何模型。

网格融合单元530具体包括：重采样单元531和网格化单元532。

重采样单元531，对各个器官的每个组装点给定阈值，并在所有距离组装点小于阈值的点进行重采样。

网格化单元532，对重采样后的进行网格化。

通过使用上述系统，采用器官的组装思想实现植株的交互式设计，设计出的作物三维模型与实际作物具有一致的拓扑结构，同时仍具有较高的细节特征，提高真实感。

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，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 (10)

1.基于节单位的作物交互式设计方法，其特征在于，所述方法具体包括：

A：对作物的植株以节为单位构建所述作物各个器官的器官网格模板，并标准化得到标准化器官网格模板；

B：选定所述标准化器官网格模板并进行排序，将各器官模板按植株参数进行参数化得到参数化器官网格模板，再进行组装得到植株模型；

C：对所述植株模型在各个器官的组装点进行网格融合，得到所述作物的植株几何模型。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤A具体包括：

A1：对所述作物的植株以节为单位获取三维点云数据；

A2：对所述三维点云数据进行去噪、分割、均匀重采样处理，得到所述作物的各个器官的点云数据；

A3：根据得到的各个器官的点云数据生成所述作物各个器官的器官网格模板；

A4：对所述器官网格模板进行标准化处理得到所述标准化器官网格模板。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤A4中的对所述器官网格模板进行标准化处理包括对所述作物的节间模板进行标准化处理，具体为：

将各个节间模板标准化为类似圆柱体，所述节间的下表面中心点标准化为所述节间模板的起始生长点，所述节间的上表面中心点标准化为所述节间模板的终止生长点。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤B具体包括：

B1：选择所述作物各个器官的标准化器官网格模板；

B2：对所述器官网格模板进行参数化处理，得到所述参数化器官网格模板；

B3：按顺序将所述参数化器官网格模板进行组装得到所述植株模型。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤C中的对所述植株模型在各个器官的组装点进行网格融合具体包括：

C1：对所述植株模型各个器官的每个组装点给定阈值，并对所有距离所述组装点小于所述阈值的点进行重采样；

C2：对重采样后的点进行网格融合。

6.基于节单位的作物交互式设计系统，其特征在于，所述系统具体包括：器官网格模板单元、网格模板组装单元和网格融合单元；

所述器官网格模板单元，对作物的植株以节为单位构建所述作物各个器官的器官网格模板，并标准化得到标准化器官网格模板；

所述网格模板组装单元，选定所述标准化器官网格模板并进行排序，将各器官模板按植株参数进行参数化得到参数化器官网格模板，再进行组装得到植株模型；

所述网格融合单元，对所述植株模型在各个器官的组装点进行网格融合，得到所述作物的植株几何模型。

7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述器官网格模板单元具体包括：三维点数据获取单元、三维点数据处理单元、器官网格模板生成单元和器官网格模板标准化单元；

所述三维点数据获取单元，对所述作物的植株以节为单位获取三维点云数据；

所述三维点数据处理单元，对所述三维点云数据进行去噪、分割、均匀重采样处理，得到所述作物的各个器官的点云数据；

所述器官网格模板生成单元，根据得到的各个器官的点云数据生成所述作物各个器官的器官网格模板；

所述器官网格模板标准化单元，对所述器官网格模板进行标准化处理得到所述标准化器官网格模板。

8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述器官网格模板标准化单元进行标准化处理的过程包括：

将各个节间模板标准化为类似圆柱体，所述节间的下表面中心点标准化为所述节间模板的起始生长点，所述节间的上表面中心点标准化为所述节间模板的终止生长点。

9.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述网格模板组装单元具体包括：排序单元、参数化单元和组装操作单元；

所述排序单元，选定所述标准化器官网格模板并进行排序；

所述参数化单元，将各器官模板按植株参数进行参数化得到参数化器官网格模板；

所述组装操作单元，按顺序将所述参数化器官网格模板进行组装得到植株模型。

10.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述网格融合单元具体包括：重采样单元和网格化单元

所述重采样单元，对各个器官的每个组装点给定阈值，并在所有距离所述组装点小于所述阈值的点进行重采样；

所述网格化单元，对重采样后的进行网格化。

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