CN104599318A - 一种植物三维模型网格无缝融合的方法及系统 - Google Patents

一种植物三维模型网格无缝融合的方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种植物三维模型网格无缝融合的方法及系统,能够解决现有技术不能实时构建不同器官的网格相连接的植物三维模型的问题。所述方法包括：建立植物的三维模型，并记录所述三维模型中枝条的三维网格曲面上的检测点信息；利用所述检测点信息对所述三维模型中的枝条进行相交检测；对所述枝条进行网格更新；对所述枝条进行网格修补。本发明适用于需要能够实时构建不同器官的网格相连接的植物三维模型的场合。

Description

一种植物三维模型网格无缝融合的方法及系统
技术领域
本发明涉及计算机图形处理技术领域，尤其涉及一种植物三维模型网格无缝融合的方法及系统。
背景技术
植物形态结构的三维建模是计算机图形学、虚拟现实的重要内容之一。由于植物是由枝条、叶子、花、果实等不同器官组成的复杂对象，在目前的植物三维模型构建方法中，通常是先建立植物的拓扑结构模型(或者骨架模型)，然后再生成各个器官的三维网格曲面，从而获得整株植物的三维模型。但在这种方法中，由于各个器官的网格曲面都是单独构建，因此在整株植物的三维模型，不同器官的网格是不相连的，存在相互穿插或分离等诸多不合理现象。这种不相连会造成一些问题，如视觉上的不同器官连接处不连贯、不自然，也影响对植物株型进行力学性能和生理特征分析等科学研究的准确性。
为了避免在生成植物的三维模型时不同器官之间的网格上存在不连接的现象，有研究者提出了基于变分隐式曲面的方法，这种方法能够在植物的骨架模型上直接生成网格全部连接的植物三维模型。但是，该方法的计算代价极高，即便对一棵枝条稀少的植物，三维模型生成仍然需要十几分钟的时间，因此很难在交互设计、生长模拟等需要实时生成网格的应用中使用。同时，该方法仅能够对树干、枝条等类圆形的植物器官适用，当植物的骨架模型中包括叶子、花朵等器官时，该方法将不能对这类带扁平曲面的器官进行处理。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供一种植物三维模型网格无缝融合的方法及系统，能够解决现有技术不能实时构建不同器官的网格相连接的植物三维模型的问题。
为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：
一方面，本发明提出了一种植物三维模型网格无缝融合的方法，包括：
建立植物的三维模型，并记录所述三维模型中枝条的三维网格曲面上的检测点信息；
利用所述检测点信息对所述三维模型中的枝条进行相交检测；
根据所述相交检测的结果对所述枝条进行网格更新；
根据所述网格更新的结果对所述枝条进行网格修补。
本发明实施例提供的植物三维模型网格无缝融合的方法，在植物三维网格曲面生成后，通过对所有枝条进行相交检测、网格更新和网格修补，从而实现所生成的植物三维模型中，不同枝条的网格曲面无缝地融合在一起；同时枝条的相交检测、网格更新和网格修补都在很小的数据集上进行，因而能够满足植物三维模型构建中的实时交互设计需要，较之现有技术，能够解决不能实时构建不同器官的网格相连接的植物三维模型的问题。
另一方面，本发明提出了一种植物三维模型网格无缝融合的系统，包括：
预处理单元，用于建立植物的三维模型，并记录所述三维模型中枝条的三维网格曲面上的检测点信息；
检测单元，用于利用所述检测点信息对所述三维模型中的枝条进行相交检测；
更新单元，用于根据所述相交检测的结果对所述枝条进行网格更新；
修补单元，用于根据所述网格更新的结果对所述枝条进行网格修补。
本发明实施例提供的植物三维模型网格无缝融合的系统，在植物三维网格曲面生成后，通过对所有枝条进行相交检测、网格更新和网格修补，从而实现所生成的植物三维模型中，不同枝条的网格曲面无缝地融合在一起；同时枝条的相交检测、网格更新和网格修补都在很小的数据集上进行，因而能够满足植物三维模型构建中的实时交互设计需要，较之现有技术，能够解决不能实时构建不同器官的网格相连接的植物三维模型的问题。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
图1为本发明植物三维模型网格无缝融合的方法一实施例的流程示意图；
图2为图1中S1一实施例的流程示意图；
图3为图1中S2一实施例的流程示意图；
图4为图1中S2另一实施例的流程示意图；
图5为图1中S2又一实施例的流程示意图；
图6为图1中S4一实施例的流程示意图；
图7为一个包含两根枝条的骨架结构示意图；
图8为从图7所示的枝条骨架结构生成的三维网格示意图；
图9为图8所示的植物三维网格的局部放大示意图；
图10为对图8所示的植物三维网格进行初步网格融合的局部放大示意图；
图11为对图8所示的植物三维网格进行最终网格融合的局部放大示意图；
图12为本发明植物三维模型网格无缝融合的系统一实施例的方框结构示意图；
图13为图12中预处理单元一实施例的方框结构示意图；
图14为图12中检测单元一实施例的方框结构示意图；
图15为图12中检测单元另一实施例的方框结构示意图；
图16为图12中检测单元又一实施例的方框结构示意图；
图17为图12中修补单元一实施例的方框结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的实施例进行详细描述。
参看图1，本发明的实施例提供一种植物三维模型网格无缝融合的方法，包括：
S1、建立植物的三维模型，并记录所述三维模型中枝条的三维网格曲面上的检测点信息；
S2、利用所述检测点信息对所述三维模型中的枝条进行相交检测；
S3、根据所述相交检测的结果对所述枝条进行网格更新；
S4、根据所述网格更新的结果对所述枝条进行网格修补。
本发明实施例提供的植物三维模型网格无缝融合的方法，在植物三维网格曲面生成后，通过对所有枝条进行相交检测、网格更新和网格修补，从而实现所生成的植物三维模型中，不同枝条的网格曲面无缝地融合在一起；同时枝条的相交检测、网格更新和网格修补都在很小的数据集上进行，因而能够满足植物三维模型构建中的实时交互设计需要，较之现有技术，能够解决不能实时构建不同器官的网格相连接的植物三维模型的问题。
可选地，参看图2，在本发明植物三维模型网格无缝融合的方法的另一实施例中，所述记录所述三维模型中枝条的三维网格曲面上的检测点信息(S1)，包括：
S10、获取植物主要枝条的骨架结构，并记录每根枝条骨架线的母枝；
S11、采用基于骨架线的网格化方法生成每根枝条的三维网格曲面，记每根枝条对应的三维网格曲面的三角形集合为Tbi，同时记录每根枝条底部的中心点、顶部的中心点和底部的边缘点信息；其中，i表示枝条的序号，枝条底部的中心点表示为vsi，枝条顶部的中心点表示为vei，枝条底部边缘点存储在顶点集EVbi中。
本实施例中，可以利用三维数字化仪获取或者通过基于三维点云的骨架提取方法得到植物主要枝条的骨架结构。
可选地，参看图3至图5，在本发明植物三维模型网格无缝融合的方法的另一实施例中，所述利用所述检测点信息对所述三维模型中的枝条进行相交检测(S2)，包括：
S20、对于每根枝条，判断该枝条是否存在母枝，若该枝条存在母枝，则对该枝条底部边缘点集EVbi中的每个顶点vj，判断该枝条顶部的中心点vei与vj的连线是否与该枝条的母枝条对应的三维网格曲面的三角形集合中的一个三角形相交；
S21、若与该枝条的母枝条对应的三维网格曲面的三角形集合中的一个三角形相交，则将该三角形加入临时集合Tbi_t中；
S22、判断所述集合Tbi_t中的三角形的数量是否大于0，若所述集合Tbi_t中的三角形的数量大于0，则计算与所述集合Tbi_t中每个三角形的相交点，并选取与该枝条顶部的中心点vei的距离最近的相交点作为与该枝条的母枝条的三维网格曲面的最近相交点vj_p；
S23、若所述集合Tbi_t中的三角形的数量为0，则检查的延长线是否与该枝条的母枝条对应的三维网格曲面的三角形集合中的一个三角形相交，若相交，则选取该相交点作为与该枝条的母枝条的三维网格曲面的最近相交点vj_p；
S24、若的延长线与该枝条的母枝条对应的三维网格曲面的三角形集合中的所有三角形均不相交，则计算线段Lvsivj与该枝条的母枝条的三维网格曲面的相交点，并将该相交点作为与该枝条的母枝条的三维网格曲面的最近相交点vj_p；
S25、将vj_p加入顶点集EVbi_p中；
其中，所述根据所述网格更新的结果对所述枝条进行网格更新，包括：
对于每根枝条，用所述顶点集EVbi_p中的顶点替换所述顶点集EVbi中的顶点。
本实施例中，在进行相交检测时，有效地利用了枝条骨架线底部中心点和顶部中心点，使得最终融合后的枝条网格在底部有一定的变粗效果，从而与真实植物枝条的底部比顶部更粗的自然特性更吻合。
可选地，参看图6至图11，在本发明植物三维模型网格无缝融合的方法的另一实施例中，所述根据所述网格更新的结果对所述枝条进行网格修补(S4)，包括：
S40、对于每根枝条，判断该枝条是否存在母枝，若该枝条存在母枝，则清空所述集合Tbi_t；
S41、对于该枝条的三维网格曲面中的每个三角形，检查该三角形是否有两个顶点同时在所述顶点集EVbi中，若该三角形有两个顶点同时在所述顶点集EVbi中，则将该三角形加入所述集合Tbi_t中；
S42、对于该枝条的三维网格曲面中的每个三角形，检查该三角形中是否存在一条与所述集合Tbi_t中的一个三角形相交的边，若该三角形中存在一条与所述集合Tbi_t中的一个三角形相交的边，则计算该条边与所述集合Tbi_t中该三角形的交点；
S43、利用该交点将所述集合Tbi_t中该三角形分裂为两个三角形。
本实施例中，如图7所示为一个包含两根枝条的骨架结构示意图(其中Lb1是枝条Lb2的母枝条)，如图8所示为从图7所示的枝条骨架结构生成的三维网格示意图，如图9所示为图8所示的植物三维网格的局部放大示意图，如图10所示为对图8所示的植物三维网格进行初步网格融合的局部放大示意图(va、vb、vc为第i根枝条的三维网格上某个三角形△vavbvc的三个顶点，其中vb和vc同时在顶点集EVbi中)，如图11所示为对图8所示的植物三维网格进行最终网格融合的局部放大示意图(v1和v2是枝条i的母枝条的三维网格上某个三角形的两个顶点，vp是线段Lv1v2与三角形△vavbvc的相交点)。在植物三维网格曲面生成后，对每根枝条的底部边缘网格与其母枝条的网格进行简单的相交检测，并根据相交情况进行相应的顶点位置移动和网格分裂，使得枝条底部的网格顶点都移动到其母枝条的网格曲面上，从而实现子枝条网格与母枝条网格的无缝融合。相交检测和后续的顶点移动及网格分裂操作都在很小的数据集上进行运算，处理速度快，能够满足植物三维模型构建中的实时交互设计需要。
参看图12，本发明的实施例提供一种植物三维模型网格无缝融合的系统，包括：
预处理单元1，用于建立植物的三维模型，并记录所述三维模型中枝条的三维网格曲面上的检测点信息；
检测单元2，用于利用所述检测点信息对所述三维模型中的枝条进行相交检测；
更新单元3，用于根据所述相交检测的结果对所述枝条进行网格更新；
修补单元4，用于根据所述网格更新的结果对所述枝条进行网格修补。
本发明实施例提供的植物三维模型网格无缝融合的系统，在植物三维网格曲面生成后，通过对所有枝条进行相交检测、网格更新和网格修补，从而实现所生成的植物三维模型中，不同枝条的网格曲面无缝地融合在一起；同时枝条的相交检测、网格更新和网格修补都在很小的数据集上进行，因而能够满足植物三维模型构建中的实时交互设计需要，较之现有技术，能够解决不能实时构建不同器官的网格相连接的植物三维模型的问题。
可选地，参看图13，在本发明植物三维模型网格无缝融合的系统的另一实施例中，所述预处理单元1，包括：
获取子单元10，用于获取植物主要枝条的骨架结构，并记录每根枝条骨架线的母枝；
记录子单元11，用于采用基于骨架线的网格化方法生成每根枝条的三维网格曲面，记每根枝条对应的三维网格曲面的三角形集合为Tbi，同时记录每根枝条底部的中心点、顶部的中心点和底部的边缘点信息；其中，i表示枝条的序号，枝条底部的中心点表示为vsi，枝条顶部的中心点表示为vei，枝条底部边缘点存储在顶点集EVbi中。
本实施例中，可以利用三维数字化仪获取或者通过基于三维点云的骨架提取方法得到植物主要枝条的骨架结构。
可选地，参看图14至16，在本发明植物三维模型网格无缝融合的系统的另一实施例中，所述检测单元2，包括：
第一判断子单元20，用于对于每根枝条，判断该枝条是否存在母枝，若该枝条存在母枝，则对该枝条底部边缘点集EVbi中的每个顶点vj，判断该枝条顶部的中心点vei与vj的连线是否与该枝条的母枝条对应的三维网格曲面的三角形集合中的一个三角形相交；
第一处理子单元21，用于若与该枝条的母枝条对应的三维网格曲面的三角形集合中的一个三角形相交，则将该三角形加入临时集合Tbi_t中；
第二判断子单元22，用于判断所述集合Tbi_t中的三角形的数量是否大于0，若所述集合Tbi_t中的三角形的数量大于0，则计算与所述集合Tbi_t中每个三角形的相交点，并选取与该枝条顶部的中心点vei的距离最近的相交点作为与该枝条的母枝条的三维网格曲面的最近相交点vj_p；
第一选点子单元23，用于若所述集合Tbi_t中的三角形的数量为0，则检查的延长线是否与该枝条的母枝条对应的三维网格曲面的三角形集合中的一个三角形相交，若相交，则选取该相交点作为与该枝条的母枝条的三维网格曲面的最近相交点vj_p；
第二选点子单元24，用于若的延长线与该枝条的母枝条对应的三维网格曲面的三角形集合中的所有三角形均不相交，则计算线段Lvsivj与该枝条的母枝条的三维网格曲面的相交点，并将该相交点作为与该枝条的母枝条的三维网格曲面的最近相交点vj_p；
第二处理子单元25，用于将vj_p加入顶点集EVbi_p中；
其中，所述更新单元，用于对于每根枝条，用所述顶点集EVbi_p中的顶点替换所述顶点集EVbi中的顶点。
本实施例中，在进行相交检测时，有效地利用了枝条骨架线底部中心点和顶部中心点，使得最终融合后的枝条网格在底部有一定的变粗效果，从而与真实植物枝条的底部比顶部更粗的自然特性更吻合。
可选地，参看图17，在本发明植物三维模型网格无缝融合的系统的另一实施例中，所述修补单元4，包括：
清空子单元40，用于对于每根枝条，判断该枝条是否存在母枝，若该枝条存在母枝，则清空所述集合Tbi_t；
第三处理子单元41，用于对于该枝条的三维网格曲面中的每个三角形，检查该三角形是否有两个顶点同时在所述顶点集EVbi中，若该三角形有两个顶点同时在所述顶点集EVbi中，则将该三角形加入所述集合Tbi_t中；
计算子单元42，用于对于该枝条的三维网格曲面中的每个三角形，检查该三角形中是否存在一条与所述集合Tbi_t中的一个三角形相交的边，若该三角形中存在一条与所述集合Tbi_t中的一个三角形相交的边，则计算该条边与所述集合Tbi_t中该三角形的交点；
分裂子单元43，用于利用该交点将所述集合Tbi_t中该三角形分裂为两个三角形。
本实施例中，在植物三维网格曲面生成后，对每根枝条的底部边缘网格与其母枝条的网格进行简单的相交检测，并根据相交情况进行相应的顶点位置移动和网格分裂，使得枝条底部的网格顶点都移动到其母枝条的网格曲面上，从而实现子枝条网格与母枝条网格的无缝融合。相交检测和后续的顶点移动及网格分裂操作都在很小的数据集上进行运算，处理速度快，能够满足植物三维模型构建中的实时交互设计需要。
虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (8)

1.一种植物三维模型网格无缝融合的方法，其特征在于，包括：
建立植物的三维模型，并记录所述三维模型中枝条的三维网格曲面上的检测点信息；
利用所述检测点信息对所述三维模型中的枝条进行相交检测；
根据所述相交检测的结果对所述枝条进行网格更新；
根据所述网格更新的结果对所述枝条进行网格修补。
2.根据权利要求1所述的植物三维模型网格无缝融合的方法，其特征在于，所述记录所述三维模型中枝条的三维网格曲面上的检测点信息，包括：
获取植物主要枝条的骨架结构，并记录每根枝条骨架线的母枝；
采用基于骨架线的网格化方法生成每根枝条的三维网格曲面，记每根枝条对应的三维网格曲面的三角形集合为Tbi，同时记录每根枝条底部的中心点、顶部的中心点和底部的边缘点信息；其中，i表示枝条的序号，枝条底部的中心点表示为vsi，枝条顶部的中心点表示为vei，枝条底部边缘点存储在顶点集EVbi中。
3.根据权利要求2所述的植物三维模型网格无缝融合的方法，其特征在于，所述利用所述检测点信息对所述三维模型中的枝条进行相交检测，包括：
对于每根枝条，判断该枝条是否存在母枝，若该枝条存在母枝，则对该枝条底部边缘点集EVbi中的每个顶点vj，判断该枝条顶部的中心点vei与vj的连线是否与该枝条的母枝条对应的三维网格曲面的三角形集合中的一个三角形相交；
若与该枝条的母枝条对应的三维网格曲面的三角形集合中的一个三角形相交，则将该三角形加入临时集合Tbi_t中；
判断所述集合Tbi_t中的三角形的数量是否大于0，若所述集合Tbi_t中的三角形的数量大于0，则计算与所述集合Tbi_t中每个三角形的相交点，并选取与该枝条顶部的中心点vei的距离最近的相交点作为与该枝条的母枝条的三维网格曲面的最近相交点vj_p；
若所述集合Tbi_t中的三角形的数量为0，则检查的延长线是否与该枝条的母枝条对应的三维网格曲面的三角形集合中的一个三角形相交，若相交，则选取该相交点作为与该枝条的母枝条的三维网格曲面的最近相交点vj_p；
若的延长线与该枝条的母枝条对应的三维网格曲面的三角形集合中的所有三角形均不相交，则计算线段Lvsivj与该枝条的母枝条的三维网格曲面的相交点，并将该相交点作为与该枝条的母枝条的三维网格曲面的最近相交点vj_p；
将vj_p加入顶点集EVbi_p中；
其中，所述根据所述网格更新的结果对所述枝条进行网格更新，包括：
对于每根枝条，用所述顶点集EVbi_p中的顶点替换所述顶点集EVbi中的顶点。
4.根据权利要求3所述的植物三维模型网格无缝融合的方法，其特征在于，所述根据所述网格更新的结果对所述枝条进行网格修补，包括：
对于每根枝条，判断该枝条是否存在母枝，若该枝条存在母枝，则清空所述集合Tbi_t；
对于该枝条的三维网格曲面中的每个三角形，检查该三角形是否有两个顶点同时在所述顶点集EVbi中，若该三角形有两个顶点同时在所述顶点集EVbi中，则将该三角形加入所述集合Tbi_t中；
对于该枝条的三维网格曲面中的每个三角形，检查该三角形中是否存在一条与所述集合Tbi_t中的一个三角形相交的边，若该三角形中存在一条与所述集合Tbi_t中的一个三角形相交的边，则计算该条边与所述集合Tbi_t中该三角形的交点；
利用该交点将所述集合Tbi_t中该三角形分裂为两个三角形。
5.一种植物三维模型网格无缝融合的系统，其特征在于，包括：
预处理单元，用于建立植物的三维模型，并记录所述三维模型中枝条的三维网格曲面上的检测点信息；
检测单元，用于利用所述检测点信息对所述三维模型中的枝条进行相交检测；
更新单元，用于根据所述相交检测的结果对所述枝条进行网格更新；
修补单元，用于根据所述网格更新的结果对所述枝条进行网格修补。
6.根据权利要求5所述的植物三维模型网格无缝融合的系统，其特征在于，所述预处理单元，包括：
获取子单元，用于获取植物主要枝条的骨架结构，并记录每根枝条骨架线的母枝；
记录子单元，用于采用基于骨架线的网格化方法生成每根枝条的三维网格曲面，记每根枝条对应的三维网格曲面的三角形集合为Tbi，同时记录每根枝条底部的中心点、顶部的中心点和底部的边缘点信息；其中，i表示枝条的序号，枝条底部的中心点表示为vsi，枝条顶部的中心点表示为vei，枝条底部边缘点存储在顶点集EVbi中。
7.根据权利要求6所述的植物三维模型网格无缝融合的系统，其特征在于，所述检测单元，包括：
第一判断子单元，用于对于每根枝条，判断该枝条是否存在母枝，若该枝条存在母枝，则对该枝条底部边缘点集EVbi中的每个顶点vj，判断该枝条顶部的中心点vei与vj的连线是否与该枝条的母枝条对应的三维网格曲面的三角形集合中的一个三角形相交；
第一处理子单元，用于若与该枝条的母枝条对应的三维网格曲面的三角形集合中的一个三角形相交，则将该三角形加入临时集合Tbi_t中；
第二判断子单元，用于判断所述集合Tbi_t中的三角形的数量是否大于0，若所述集合Tbi_t中的三角形的数量大于0，则计算与所述集合Tbi_t中每个三角形的相交点，并选取与该枝条顶部的中心点vei的距离最近的相交点作为与该枝条的母枝条的三维网格曲面的最近相交点vj_p；
第一选点子单元，用于若所述集合Tbi_t中的三角形的数量为0，则检查的延长线是否与该枝条的母枝条对应的三维网格曲面的三角形集合中的一个三角形相交，若相交，则选取该相交点作为与该枝条的母枝条的三维网格曲面的最近相交点vj_p；
第二选点子单元，用于若的延长线与该枝条的母枝条对应的三维网格曲面的三角形集合中的所有三角形均不相交，则计算线段Lvsivj与该枝条的母枝条的三维网格曲面的相交点，并将该相交点作为与该枝条的母枝条的三维网格曲面的最近相交点vj_p；
第二处理子单元，用于将vj_p加入顶点集EVbi_p中；
其中，所述更新单元，用于对于每根枝条，用所述顶点集EVbi_p中的顶点替换所述顶点集EVbi中的顶点。
8.根据权利要求7所述的植物三维模型网格无缝融合的系统，其特征在于，所述修补单元，包括：
清空子单元，用于对于每根枝条，判断该枝条是否存在母枝，若该枝条存在母枝，则清空所述集合Tbi_t；
第三处理子单元，用于对于该枝条的三维网格曲面中的每个三角形，检查该三角形是否有两个顶点同时在所述顶点集EVbi中，若该三角形有两个顶点同时在所述顶点集EVbi中，则将该三角形加入所述集合Tbi_t中；
计算子单元，用于对于该枝条的三维网格曲面中的每个三角形，检查该三角形中是否存在一条与所述集合Tbi_t中的一个三角形相交的边，若该三角形中存在一条与所述集合Tbi_t中的一个三角形相交的边，则计算该条边与所述集合Tbi_t中该三角形的交点；
分裂子单元，用于利用该交点将所述集合Tbi_t中该三角形分裂为两个三角形。
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