CN103106678B - 作物冠层光分布动画合成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了作物光合作用技术领域，特别涉及作物冠层光分布动画合成方法。本发明首先采集作物冠层数据并建立作物冠层几何模型；然后计算了作物冠层几何模型中面元的天空可见率；进而计算了面元的光强；最后通过所述面元的光强计算设定时刻所述作物冠层关键帧中面元的颜色，进而实现作物冠层光环境的动画效果。本发明可以直接用于动画生成，准确反映了作物冠层内光环境的变化情况；实现了作物冠层内光分布随着外部光环境实时变化的实时动画效果，为农业研究者进一步对作物的研究工作提供便利。

Description

作物冠层光分布动画合成方法

技术领域

本发明涉及作物光合作用技术领域，特别涉及一种作物冠层光分布动画合成方法。

背景技术

以可视化的方式描述大田间作物冠层内的光环境变化为农业研究者提供更为直观的理解方式，作物冠层光分布动画的实时合成对农业科普动漫作品的制作提供有益的技术支撑。

作物冠层光分布模拟主要分为太阳直射光模拟、天空散射光模拟以及冠层内部多次反射散射的模拟三部分。从实际可视化的视觉效果上以及相关文献分析，冠层内部多次反射散射辐射可以忽略，因此，仅从太阳直射光与天空散射光两部分描述冠层光环境的变化即可。

目前针对作物冠层光分布计算的研究较多，典型工作如专利《基于虚拟植物的冠层对光合有效辐射截获能力分析方法》、专利《作物冠层散射光分布计算方法》即博士毕业论文《玉米冠层光合有效辐射三维空间分布模型的构建与验证》等，这些研究为作物冠层的光分布提供了良好的模拟与分析方法。

但目前尚未见专门针对作物冠层光分布变化的动画实时合成方法。

目前尚未见专门从作物冠层光截获角度进行的动画合成模拟方法，从计算机动画角度模拟的作物冠层光分布动画合成面临着冠层内结构复杂，面元数量多，动画合成实时性较低的缺陷，且从计算机动画角度出发的动画模拟往往仅追求视觉效果，其往往无法反映出冠层内准确地光环境变化情况。

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：如何提供一种作物冠层光分布动画方法，使其能准确反映作物冠层内光环境的变化情况。

（二）技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供了一种作物冠层光分布动画合成方法，其特征是，该方法包括以下步骤：

S1：采集作物冠层形态数据并建立作物冠层几何模型；

S2：计算所述作物冠层几何模型的面元的天空可见率；

S3：在步骤S2的基础上计算所述面元的光强；

S4：通过所述面元的光强计算设定时刻所述作物冠层关键帧上面元的颜色，进而实现作物冠层光环境的动画效果。

所述步骤S3具体为：

S31：计算设定时刻作物冠层外部的直射光和作物冠层外部的散射光；

S32：通过所述作物冠层外部的直射光计算冠层内面元上的直射光；

S33：通过所述作物冠层外部的散射光和面元的天空可见率计算冠层内面元上的散射光；

S34：通过所述面元上的直射光和面元上的散射光得到面元的光强。

所述作物冠层外部的直射光的计算公式为：

$R_i^{\mathrm{direct}}=\frac{R_i{\mathrm{\ρ}}_i}{\sin {\mathrm{\α}}_i}$

其中：

为i时刻的作物冠层外部的直射光；

R_i为i时刻的外部总光强；

ρ_i为i时刻的直射比例；

α_i为i时刻的太阳高度角。

所述作物冠层外部的直射光的计算公式为：

$R_i^{\mathrm{diffuse}}=R_i(1-{\mathrm{\ρ}}_i)$

其中：

为i时刻的作物冠层外部的散射光。

所述面元上的直射光的计算公式为：

$I_i^k=R_i^{\mathrm{direct}}\×\cos {\mathrm{\θ}}_i^k$

其中：

为i时刻的第k个面元上的直射光；

为i时刻的第k个面元法向与直射光入射方向的夹角。

所述面元上的散射光的计算公式为：

$F_i^k=R_i^{\mathrm{diffuse}}\×r_k$

其中：

为i时刻的第k个面元上的散射光；

r_k为第k个面元上的天空可见率。

所述面元的光强的计算公式为：

$R_i^k=I_i^k+F_i^k$

其中：

为i时刻的第k个面元的光强。

所述实现作物冠层光环境的动画效果具体为：通过颜色插值来实现作物冠层光环境动画效果。

（三）有益效果

本发明首先通过作物冠层的实际数据得到作物冠层几何模型；在作物冠层几何模型的基础上得到作物冠层几何模型面元的天空可见率，为检测光环境的变化打下基础；计算了设定时刻作物冠层外部的直射光和作物冠层外部的散射光，进而计算了面元上的直射光和面元上的散射光；在此基础上计算了作物冠层关键帧的颜色，用颜色插值实现了作物冠层光环境的动画效果。本发明可以直接用于动画生成，准确反映了作物冠层内光环境的变化情况。实现了作物冠层内光分布随着外部光环境实时变化的实时动画效果，为农业研究者进一步对作物的研究工作提供便利。

附图说明

图1是本发明的流程图。

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。

为了准确反映作物冠层内光环境的变化情况。本发明提供了一种作物冠层光分布动画方法。首先将作物冠层的散射光计算抽提成各面元天空可见率的计算并提前计算好，然后通过计算冠层内各面元的直射光与散射光强值，并转化成颜色，实现了作物冠层实时光分布动画合成的效果。

本发明的流程图如图1所示，具体为：

S1：采集作物冠层形态数据并建立作物冠层几何模型；

S2：计算所述作物冠层几何模型的面元的天空可见率；

S3：在步骤S2的基础上计算所述面元的光强；

S31：计算设定时刻作物冠层外部的直射光和作物冠层外部的散射光；

S32：通过所述作物冠层外部的直射光计算冠层内面元上的直射光；

S33：通过所述作物冠层外部的散射光和面元的天空可见率计算冠层内面元上的散射光；

S34：通过所述面元上的直射光和面元上的散射光得到面元的光强；

S4：通过所述面元的光强计算设定时刻所述作物冠层关键帧上面元的颜色，进而实现作物冠层的动画效果。

本发明的实施方案具体为：

1根据实测数据建立作物冠层几何模型

对于光分布动画合成的实际作物，采用三维数据获取手段获取实际形态数据，并基于实测形态数据构造作物冠层几何模型，几何模型中以几何面元为基本单位，作物的器官由面元组成，叶片面元要是双面面元。

例如，玉米数据采集的方法是利用数字化仪将冠层内所有植株生长点，所有植株的叶脉曲线进行获取，基于叶脉曲线将叶片模板几何模型进行安装，最终生成玉米冠层几何模型。

2作物冠层各面元天空可见率预计算

利用所构造的几何模型，计算模型中各面元的天空可见率，其中叶片面元需计算双面各自的天空可见率r_k，其中k表示冠层中的第k个面元，其中0<k≤M，M为冠层面元总量。冠层中某面元的天空可见率表示当前面元受冠层内其他面元遮挡情况下天空半球的可见比率。

计算天空可见率的方法多以TURTLE模型为基础，如多分辨率半球方法等。

3冠层内各面元光强实时计算

3.1设拟动画模拟的时间段总长为T，将总时间分为N个时间段，即N+1个时间节点，则每段时间长度为在每个时间节点输入实际外部光环境数据：各时间节点的外部总光强R_i与各时间节点的直射光比例ρ_i，i=0,…,N，进而计算出各时间节点的冠层外部直射光与散射光i=0,…,N；

$R_i^{\mathrm{diffuse}}=R_i(1-{\mathrm{\&rho;}}_i)$

$R_i^{\mathrm{direct}}=\frac{R_i{\mathrm{\&rho;}}_i}{\sin {\mathrm{\&alpha;}}_i}$

其中：

为i时刻的作物冠层外部的直射光；

为i时刻的作物冠层外部的散射光；

R_i为i时刻的外部总光强；

ρ_i为i时刻的直射比例；

α_i为i时刻的太阳高度角。

3.2根据各时间点（年月日时分秒）与地理信息（经纬度），计算太阳光入射方向，结合各时间点的冠层外部直射光，计算i时间点冠层内各面元上的直射光：

$I_i^k=R_i^{\mathrm{direct}}\&times;\cos {\mathrm{\&theta;}}_i^k,$

其中，

为i时刻的第k个面元上的直射光；

为i时刻的第k个面元法向与直射光入射方向的夹角。

3.3计算时刻i的第k个面元的散射光：

$F_i^k=R_i^{\mathrm{diffuse}}\&times;r_k$

其中：

为i时刻的第k个面元上的散射光；

r_k为第k个面元上的天空可见率。

3.4将i时刻冠层中第k个面元的直射光与散射光相加即得到该面元该时刻的光强值：

$R_i^k=I_i^k+F_i^k$

其中：

为i时刻的第k个面元的光强。

4光分布动画合成

说明：光分布动画合成实际上是计算出几何模型中各关键帧上面元的颜色，并通过颜色插值来实现作物冠层光环境的动画效果，具体可参见《基于Hermite样条曲线的关键帧插值角色动画》。

将分割的时间点i的画面作为关键帧，将时间点i，面元k的光强转化为该面元对应的颜色值。有了各面元的颜色值再进行关键帧的插值即可实现冠层几何模型的动画合成。

本发明首先通过作物冠层的实际数据得到作物冠层几何模型；在作物冠层几何模型的基础上得到作物冠层几何模型面元的天空可见率，为检测光环境的变化打下基础；计算了设定时刻作物冠层外部的直射光和作物冠层外部的散射光，进而计算了面元上的直射光和面元上的散射光；在此基础上计算了作物冠层关键帧的颜色，用颜色插值实现了作物冠层光环境的动画效果。本发明可以直接用于动画生成，准确反映了作物冠层内光环境的变化情况。实现了作物冠层内光分布随着外部光环境实时变化的实时动画效果，为农业研究者提供了直观形象的展示方法。本发明实现了作物冠层内光分布随着外部光环境实时变化的实时动画效果，为农业研究者进一步对作物的研究工作提供便利。

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 (8)

1.作物冠层光分布动画合成方法，其特征是，该方法包括以下步骤：

S1：采集作物冠层形态数据并建立作物冠层几何模型；

S2：计算所述作物冠层几何模型的面元的天空可见率；

S3：在步骤S2的基础上计算所述面元的光强；

S4：通过所述面元的光强计算设定时刻所述作物冠层关键帧上面元的颜色，进而实现作物冠层光环境的动画效果；

其中，所述几何模型以几何面元为基本单位，所述作物的器官由面元组成，所述作物的叶片面元为双面面元。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述步骤S3具体为：

S31：计算设定时刻作物冠层外部的直射光和作物冠层外部的散射光；

S32：通过所述作物冠层外部的直射光计算冠层内面元上的直射光；

S33：通过所述作物冠层外部的散射光和面元的天空可见率计算冠层内面元上的散射光；

S34：通过所述面元上的直射光和面元上的散射光得到面元的光强。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征是，所述作物冠层外部的直射光的计算公式为：

$R_i^{direct}=\frac{R_i{\mathrm{\&rho;}}_i}{{\mathrm{sin\&alpha;}}_i}$

其中：

为i时刻的作物冠层外部的直射光；

R_i为i时刻的外部总光强；

ρ_i为i时刻的直射比例；

α_i为i时刻的太阳高度角。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征是，所述作物冠层外部的散射光的计算公式为：

$R_i^{diffuse}=R_i(1-{\mathrm{\&rho;}}_i)$

其中：

为i时刻的作物冠层外部的散射光。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征是，所述面元上的直射光的计算公式为：

$I_i^k=R_i^{direct}\&times;{\mathrm{cos\&theta;}}_i^k$

其中：

为i时刻的第k个面元上的直射光；

为i时刻的第k个面元法向与直射光入射方向的夹角。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征是，所述面元上的散射光的计算公式为：

$F_i^k=R_i^{diffuse}\&times;r_k$

其中：

为i时刻的第k个面元上的散射光；

r_k为第k个面元上的天空可见率。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征是，所述面元的光强的计算公式为：

$R_i^k=I_i^k+F_i^k$

其中：

为i时刻的第k个面元的光强。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述实现作物冠层光环境的动画效果具体为：通过颜色插值来实现作物冠层光环境动画效果。