CN104167018B - 基于二维模型建立玉米果穗三维圆柱模型的方法 - Google Patents

Abstract

基于二维模型建立玉米果穗三维圆柱模型的方法，包括以下步骤：建立玉米芯的二维截面圆，并将其圆周均为穗行个数相同的等份；建立籽粒和胚芽边界在水平面上的垂直投影，建立玉米籽粒的二维侧面图；玉米芯的二维截面圆切出V型槽；拉伸出带有V型槽体的玉米芯圆柱体模型；切出玉米籽粒模型；建立具有胚芽的玉米籽粒实体模型；将玉米籽粒实体模型的果柄安装在玉米芯圆柱体模型的V型槽体中，并将每间隔两列籽粒沿玉米芯中心轴线方向移位籽粒厚度的，建立玉米果穗三维圆柱模型。本发明在二维模型的基础上建立三维模型，保证了玉米籽粒的排列接近实际情况，即籽粒之间是接触的，且籽粒的排列符合组砌规律；可用于玉米果穗脱粒等研究需要。

Description

基于二维模型建立玉米果穗三维圆柱模型的方法

技术领域

本发明涉及玉米果穗的三维建模方法，具体的说是一种基于二维模型建立玉米果穗三维圆柱模型的方法。

背景技术

玉米是我国主要粮食作物之一，玉米果穗穗行数是描述玉米品种的关键形状之一，每个品种的小穗原基的数目受基因控制，通常是恒定的，因此大多数玉米果穗的穗行是偶数，且大多是十六行或十八行，而在田间表现中，十六行穗行的果穗又占多数。从统计学角度对玉米果穗进行仿真建模，对玉米果穗的理论研究和相关的工程设计都具有重要意义。

玉米脱粒原理主要有冲击、揉搓、梳刷、碾压和揉搓等，其中，冲击脱粒是目前国内玉米最常用脱粒原理。玉米籽粒脱粒破损率直接影响玉米的存储和种子生产等方面。玉米脱粒过程中，受脱粒设备的作用，存在一定的破损率，因此，研究降低玉米脱粒破损率的方法对生产实际有重大意义。降低玉米脱粒破损率的研究不仅包括对玉米脱粒装置的研究，还应包括玉米果穗特性的研究，为脱粒装置的设计提供理论依据。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于二维模型建立玉米果穗三维圆柱模型的方法，根据玉米籽粒和玉米芯相关参数统计、测量，根据作出的平面几何图形建立三维圆柱模型，玉米果穗三维模型是在玉米果穗各几何尺寸与玉米果穗二维模型的基础上建立的，且三维模型均遵循籽粒的组砌规律，建立三维模型时假设玉米芯是圆柱体。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案为：

基于二维模型建立玉米果穗三维组砌模型的方法，包括以下步骤：步骤一、选取同一品种、相同含水率的玉米果穗若干，测量玉米芯直径和长度并分别取均值，根据直径均值参数作出玉米芯的二维截面圆，即垂直于玉米芯中心轴线的截面圆；然后根据选取玉米果穗的穗行个数n，将作出的截面圆的圆周均分为n等份，每等份与截面圆的圆心连线所围扇形的圆心角为；

步骤二、选取步骤一中玉米果穗上的若干籽粒，作出籽粒和籽粒上的胚芽边界在水平面上的垂直投影，并将垂直投影沿果柄底部至籽粒顶部的方向依次划分为相连接的一个等腰三角形、两个等腰梯形和一个矩形，等腰三角形的底边兼做果柄的顶部和胚芽边界，分别测出等腰三角形的三边长、两个等腰梯形的四边长以及矩形的长度和宽度，根据所测得的几何特征参数作出籽粒的二维侧面图；

步骤三、根据步骤二中等腰三角形的几何特征参数，在步骤一建立的二维截面圆的每等份扇形中对应切除出V型槽，V型槽的两侧边长与等腰三角形的两边长相同，且V型槽的折点位于二维截面圆的半径线上；

步骤四、测量步骤一中玉米芯长度并取均值，由步骤三切有V型槽的玉米芯二维截面圆依据玉米芯的长度均值拉伸出带有V型槽体的玉米芯圆柱体模型；

步骤五、根据步骤二建立的籽粒的二维侧面图，依照步骤四玉米芯圆柱体模型的长度拉伸出三维结构的玉米籽粒条，测量步骤二中选取的籽粒的顶部的厚度，并取其均值，根据该籽粒厚度均值在建立的玉米籽粒条上一一切出籽粒模型；

步骤六、取步骤二中的全部籽粒，沿籽粒中心轴线标记胚芽上的若干点，确定籽粒厚度均值与胚芽上标记点位置处厚度的差值，并取均值；在籽粒模型的中心轴线上找到与胚芽上标记点相对应的点，然后确定穿过该点并垂直于籽粒模型的中心轴线的直线与胚芽边界的两个交点；以确定的交点为端点，以厚度差值的均值为内凹的最大深度，在二维坐标系中作出胚芽内凹曲线，根据该曲线在步骤五切出的籽粒模型其中一个侧面上切除出胚芽曲面，建立具有胚芽的玉米籽粒实体模型；

步骤七、将玉米籽粒实体模型的果柄安装在步骤四建立的玉米芯圆柱体模型的V型槽体中，使胚芽处的端面与玉米芯一端的端面配合，通过圆周阵列建立完整的玉米果穗模型，并将每间隔两列籽粒沿玉米芯中心轴线方向移位步骤五中籽粒厚度的，建立玉米果穗三维圆柱模型。

上述步骤五建立的玉米籽粒实体模型中，各籽粒顶部的边界处采用圆弧过渡，圆弧半径为1mm。

本发明建立在玉米芯是圆柱体的基础上，将籽粒与玉米芯装配，装配时须保证籽粒组砌规律和籽粒间接触状况。在步骤七装配时，将玉米籽粒实体模型的果柄处最下端与玉米芯圆柱体模型上的V型槽体最下端的一条线配合，将果柄沿玉米芯中心轴线的一侧面与槽体的内壁一侧面配合，将胚芽处的端面与玉米芯一端的端面配合，可将由玉米籽粒条切除出的单个籽粒装配到玉米芯上，按此方法沿玉米芯轴向装配一列若干个玉米籽粒，将装配好的一列籽粒在相邻处阵列一列即可以建立一组对列行籽粒；然后装配与已装配的对列行籽粒对应的两列交错行籽粒，交错行籽粒装配的基本过程与对列行籽粒的步骤基本相同，差别在于，由于要保证每间隔两列籽粒，相邻的两列籽粒交错排列，所以籽粒胚芽处端面与玉米芯端面配合时，每间隔两列籽粒，胚芽处端面沿玉米芯轴向向后退玉米籽粒厚度的，这样就保证了相邻两行籽粒的交错排列；最后把装配好的两列对列行籽粒、两列交错行籽粒圆周阵，从而建成圆柱型玉米果穗模型。

有益效果：本发明通过测量、统计玉米果穗各部分几何参数，建立玉米果穗二维模型，并在二维模型的基础上建立三维模型，建模时保证了玉米籽粒的排列接近实际情况，即籽粒之间是接触的，且籽粒的排列符合组砌规律；本发明是基于玉米芯是圆柱体所建立的模型，可用于整个玉米果穗建模或对其分段建模，满足玉米果穗脱粒等研究需要；而且，基于二维模型的玉米籽粒三维形态建模方法具有普适性，对于构件其它农作物的三维模型具有指导意义。

附图说明

图1为玉米果穗实物组砌图；

图2为本发明玉米芯的二维截面圆；

图3为本发明步骤二中籽粒的二维侧面图；

图4为本发明步骤五中胚芽曲面二维图；

图5为籽粒和胚芽在同一坐标系中的示意图；

图6为本发明步骤五中建立的玉米籽粒条；

图7至图8为建立的玉米果穗三维圆柱模型。

附图标记：1、玉米芯，2、籽粒，201、果柄，3、胚芽，4、玉米籽粒条，5、V型槽体。

具体实施方式

在三维软件中建立玉米果穗的实体模型时，主要有两个方面的依据：（1）、玉米果穗籽粒普遍存在的组砌规律，如图1所示，玉米果穗籽粒在生长时存在一定的生物性特性。在玉米芯上，玉米籽粒通常排列成16~18纵行或更多偶数行。在果穗上除了两端最外缘籽粒外，果穗排列是以11-22组砌单元为基本单元组合排列错位搭接的，即相邻的单层两横向籽粒侧面正对接触形成1-1对立接触的两列为一组，与另外相邻两列的两层同样2-2接触的两横向籽粒的侧面形成错位接触。玉米果穗籽粒的这种组砌规律在目前所见到的玉米品种中是普遍存在的。建模时确保了模型符合玉米果穗籽粒的组砌规律；（2）、关于玉米果穗的尺寸参数，主要包括玉米芯相关尺寸、籽粒和玉米籽粒上胚芽的相关尺寸，这些尺寸是根据测量得到的。

基于二维模型建立玉米果穗三维圆柱模型的方法，包括以下步骤：步骤一、选取同一品种、相同含水率的玉米果穗若干，测量玉米芯直径和长度并分别取均值，根据直径均值参数作出玉米芯的二维截面圆，即垂直于玉米芯中心轴线的截面圆，如图2所示，然后根据选取玉米果穗的穗行个数n，将作出的截面圆的圆周均分为n等份，每等份与圆心连线所围扇形的圆心角为。经观察分析发现：品种为浚单20的玉米沿玉米芯圆周，每周有16个籽粒，假设16个籽粒大小相同且沿圆周均匀分布，若要保证籽粒的两侧边接触，则籽粒间接触部位两侧边的夹角必为22.5°且16个籽粒均按此角度排列；

步骤二、选取步骤一中玉米果穗上的若干籽粒，作出籽粒和籽粒上的胚芽边界在水平面上的垂直投影，并将垂直投影沿果柄底部至籽粒顶部的方向依次划分为相连接的一个等腰三角形、两个等腰梯形和一个矩形，等腰三角形的底边兼做果柄的顶部和胚芽边界，分别测出等腰三角形的三边长、两个等腰梯形的四边长以及矩形的长度和宽度，根据所测得的几何特征参数，作出如图3所示的籽粒和胚芽的二维侧面图；

步骤三、根据步骤二中等腰三角形的几何特征参数，在步骤一建立的二维截面圆的每等份扇形中对应切除出V型槽，如图2所示，V型槽的两侧边长与等腰三角形的两边长相同，且V型槽的折点位于二维截面圆的半径线上；或者按照步骤二中等腰三角形的几何特征参数，在单个扇形中切除出放置果柄的一个V型槽，再圆周阵列出16条放置果柄的槽。

步骤四、测量步骤一中玉米芯长度并取均值，由步骤三切有V型槽的玉米芯二维截面圆依据玉米芯的长度均值拉伸出带有V型槽体的玉米芯圆柱体模型；

步骤五、根据步骤二建立的籽粒的二维侧面图，沿步骤四建立的玉米芯圆柱体模型的中心轴线方向，依照步骤四玉米芯圆柱体模型的长度拉伸出如图6所示的三维结构的玉米籽粒条，测量步骤二中选取的籽粒的顶部的厚度，并取其均值，根据该籽粒厚度均值在建立的玉米籽粒条上一一切出籽粒；

步骤六、取步骤二中的全部籽粒，沿籽粒中心轴线标记胚芽上的若干点，确定籽粒厚度均值与胚芽上标记点位置处厚度的差值，并取均值；在籽粒模型的中心轴线上找到与胚芽上标记点相对应的点，然后确定穿过该点并垂直于籽粒模型的中心轴线的直线与胚芽边界的两个交点；以确定的交点为端点，以厚度差值的均值为内凹的最大深度，如图4所示，在二维坐标系中作出胚芽内凹曲线，根据如图5所示的该曲线和步骤二籽粒的二维侧面图中胚芽和籽粒的位置关系，在步骤五切出的籽粒模型其中一个侧面上切除出胚芽曲面，建立具有胚芽的玉米籽粒实体模型；

步骤七、将玉米籽粒实体模型的果柄安装在步骤四建立的玉米芯圆柱体模型的V型槽体中，使胚芽处的端面与玉米芯一端的端面配合，通过圆周阵列建立完整的玉米果穗模型，并将每间隔两列籽粒沿玉米芯中心轴线方向移位步骤五中籽粒厚度的，建立如图8所示的玉米果穗三维圆柱模型，符合如图1所示的玉米果穗实际组砌规律。

其中，步骤六建立的玉米籽粒实体模型，是根据步骤二的籽粒和胚芽的二维侧面图拉伸出厚度为5mm的轮廓，各籽粒顶部的边界处采用圆弧过渡，圆弧半径为1mm，然后根据胚芽的尺寸数据放样切除出玉米胚芽而建立。

参考玉米芯、玉米籽粒几何尺寸的测量结果，选取浚单20品种的玉米果穗，玉米芯的直径为31.40mm，果穗直径为49.78mm。果穗上所有籽粒的尺寸相同，如图7和图8所示。建模过程：首先建立玉米芯模型，由玉米芯的截面圆拉伸出长为43mm的圆柱体，然后根据果柄处的尺寸切除出放置果柄的一条槽，再圆周阵列出16条放置果柄的槽。其次根据图7所示果穗的半径建立籽粒的模型，籽粒模型也是首先根据籽粒的截面图拉伸出厚为5mm的轮廓，籽粒边界处倒角半径为1mm，然后根据胚芽的尺寸数据放样切除出胚芽而建立。

最后将籽粒与玉米芯装配，装配须保证籽粒组砌规律和籽粒间接触状况，如图8所示，首先装配对列行上一个籽粒，第一步将籽粒果柄处最下端的一条线与玉米芯上放置果柄的槽的最下端一条线配合，第二步将果柄沿玉米芯轴向的一侧面与槽的一侧面配合，第三步将籽粒胚芽处端面与玉米芯端面配合，由此三步即可将一个籽粒装配固定到玉米芯上，按此方法沿玉米芯轴向装配一列8个玉米籽粒，将装配好的一列籽粒在相邻处阵列一列即可以建立一组对列行籽粒；然后装配与已装配的对列行籽粒对应的交错行籽粒，交错行籽粒装配的基本过程与对列行籽粒的步骤基本相同，差别在第三步，由于要保证与相邻的籽粒交错排列，所以第三步籽粒胚芽处端面与玉米芯端面配合时，胚芽处端面沿玉米芯轴向向后退2.5mm，这样就保证了相邻两行籽粒的交错排列；最后把装配好的两列对列行籽粒、两列交错行籽粒圆周阵列成16列籽粒，从而建成如图8所示的圆柱型玉米果穗模型。

Claims (1)

1.基于二维模型建立玉米果穗三维圆柱模型的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、选取同一品种、相同含水率的玉米果穗若干，测量玉米芯直径和长度并分别取均值，根据直径均值参数作出玉米芯的二维截面圆，即垂直于玉米芯中心轴线的截面圆；然后根据选取玉米果穗的穗行个数n，将作出的截面圆的圆周均分为n等份，每等份与圆心连线所围扇形的圆心角为；

步骤二、选取步骤一中玉米果穗上的若干籽粒，作出籽粒和籽粒上的胚芽边界在水平面上的垂直投影，并将垂直投影沿果柄底部至籽粒顶部的方向依次划分为相连接的一个等腰三角形、两个等腰梯形和一个矩形，等腰三角形的底边兼做果柄的顶部和胚芽边界，分别测出等腰三角形的三边长、两个等腰梯形的四边长以及矩形的长度和宽度，根据所测得的几何特征参数作出籽粒的二维侧面图；

步骤三、根据步骤二中等腰三角形的几何特征参数，在步骤一建立的二维截面圆的每等份扇形中对应切除出V型槽，V型槽的两侧边长与等腰三角形的两边长相同，且V型槽的折点位于二维截面圆的半径线上；

步骤四、测量步骤一中玉米芯长度并取均值，由步骤三切有V型槽的玉米芯二维截面圆依据玉米芯的长度均值拉伸出带有V型槽体的玉米芯圆柱体模型；

步骤五、根据步骤二建立的籽粒的二维侧面图，依照步骤四玉米芯圆柱体模型的长度拉伸出三维结构的玉米籽粒条，测量步骤二中选取的籽粒的顶部的厚度，并取其均值，根据该籽粒厚度均值在建立的玉米籽粒条上一一切出籽粒模型；

步骤六、取步骤二中的全部籽粒，沿籽粒中心轴线标记胚芽上的若干点，确定籽粒厚度均值与胚芽上标记点位置处厚度的差值，并取均值；在籽粒模型的中心轴线上找到与胚芽上标记点相对应的点，然后确定穿过该点并垂直与籽粒模型中心轴线的直线与胚芽边界的两个交点；以确定的交点为端点，厚度差值的均值为内凹的最大深度，在二维坐标系中作出胚芽内凹曲线，根据该曲线在步骤五切出的籽粒模型的其中一个侧面上切除出胚芽曲面，建立具有胚芽的玉米籽粒实体模型，该玉米籽粒实体模型是根据步骤二的籽粒和胚芽的二维侧面图拉伸出厚度为5mm的轮廓，各籽粒顶部的边界处采用圆弧过渡，圆弧半径为1mm，然后根据胚芽的尺寸数据放样切除出玉米胚芽而建立；

步骤七、将玉米籽粒实体模型的果柄安装在步骤四建立的玉米芯圆柱体模型的V型槽体中，使胚芽处的端面与玉米芯一端的端面配合，通过圆周阵列建立完整的玉米果穗模型，并将每间隔两列籽粒沿玉米芯中心轴线方向移位步骤五中籽粒厚度的，建立玉米果穗三维圆柱模型。