CN104732583B - 一种平行脉序植物叶片表观纹理合成方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种平行脉序植物叶片表观纹理合成方法和系统，该方法通过按纹理特征将叶片划分为若干个基本结构单元；按平行脉序植物叶片的表观参数计算得到每个基本结构单元的表观纹理图像；排列所述若干基本结构单元的表观纹理图像，形成所述平行脉序植物表观纹理结构。本发明既能使生成的平行脉序植物表观纹理结构符合叶片的实际表观结构特征，而且在理论上可以生成任意分辨率的表观纹理；通过控制同列单元的表观参数的差异，可以使构建的平行脉序植物表观纹理结构的脉络更加清晰。

Description

一种平行脉序植物叶片表观纹理合成方法和系统

技术领域

本发明涉及一种平行脉序植物叶片表观纹理合成方法和系统，涉及植物仿真技术领域。

背景技术

随着信息科学和农业科学的不断融合，虚拟现实技术在农业领域得到越来越多的应用并展示出良好应用前景。植物三维虚拟仿真是当前植物学、农学等领域的重要问题，涉及数学、计算机技术、计算机图形学、植物学、农学、生理生态等众多领域。植物三维虚拟仿真的真实感效果主要取决三维形态和表观纹理两个方面的内容。当前针对植物三维形态数据采集和模型重建的方法和技术已渐趋成熟，相关方面技术领域已取得了较大的进展。而在叶片等主要器官的表观纹理模拟方面仍然有较大的差距。传统的方法通过照片作为纹理很难满足高质量高真实感虚拟仿真的需求，成为制约植物虚拟仿真真实感效果的重要因素之一。

植物三维虚拟仿真面临的核心问题之一是真实感绘制和渲染，由于植物是生命体，其自身的属性特征与工业产品不同，其表观纹理虽然符合一定的规律，但是仍包含着较多的随机特征，从而导致植物叶片表观纹理和材质信息较为复杂，传统的植物虚拟建模方法中，通常通过采集一幅叶片的表面图像作为纹理贴图，而这种方法受拍摄环境、光照条件、拍摄角度等多种因素的制约，使得生成的纹理会存在光环境形成的噪声，并且样式单一；同时，由于植物叶片大小不一且多有褶皱，想要拍摄高质量、高分辨率的图像非常困难。上述问题均使传统方法很难获得高质量高真实感的仿真效果。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是现有技术中传统的植物虚拟建模方法受拍摄环境、光照条件、拍摄角度等多种因素的制约，使得生成的纹理会存在光环境形成的噪声，并且样式单一；

本发明所要解决的第二个技术问题是现有技术中由于植物叶片大小不一且多有褶皱，想要拍摄高质量、高分辨率的图像非常困难。

为此目的，本发明提出了一种能够生成任意分辨率的表观纹理的平行脉序植物叶片表面纹理合成方法和系统。

一种平行脉序植物叶片表观纹理合成方法，包括以下步骤：

按纹理特征将叶片划分为若干个基本结构单元；

按平行脉序植物叶片的表观参数计算得到每个基本结构单元的表观纹理图像；

排列所述若干基本结构单元的表观纹理图像，形成所述平行脉序植物表观纹理结构。

优选地，所述基本结构单元为N×N的像素方阵，其中N为正整数；

所述基本结构单元包括：叶肉、一级叶脉、二级叶脉和三级叶脉。

优选地，所述排列所述若干个像素方的表观纹理图像的步骤具体包括：

设定单元集合A₁由m₀个所述三级叶脉与m₁个叶肉排列组成，单元集合A₂由m₂个一级叶脉依次排列组成，单元集合A₃由m₃个二级叶脉组成，单元集合A₄由m₄个A₁单元集合排列组成，单元集合A₅和单元集合A₆均由A₁和A₂组合排列形成且两者成镜面对称，以单元集合A₃为中心，A₃的左边为m₅个A₅单元集合，右边为m₅个A₆单元集合，将上述行结构竖直进行排列，形成宽度为(m₂+2×(m₅×(m₃+m₄×(m₀+m₁))))×N、高度为m₆×N的m₆行基本结构单元组成的平行脉序植物表观纹理结构；

其中，

m₁＝4×m₀；

m₂＝m₃+m₄×(m₀+m₁)

m₃＝m₁；

m₄＝4；

m₅＝5×m₂；

m₆＝5×(m₂+2×(m₅×(m₃+m₄(m₀+m₁)))

m₀至m₆均为大于0的正整数。

优选地，所述按平行脉序植物叶片的表观参数计算得到每个基本结构单元的表观纹理图像的步骤之前还包括：

获取所述叶肉、一级叶脉、二级叶脉和三级叶脉的表观参数范围；

在所述表观参数范围内为每个所述基本结构单元选取一组所述表观参数，确保同列所述基本结构单元的所述表观参数差异小于10％。

优选地，所述像素方阵是按下式生成的：

其中，f_r(θ_i,φ_i,θ_r,φ_r,P)为计算得到的像素方阵中每个点的RGB值；(θ_i,φ_i)、(θ_r,φ_r)分别为光线的入射方向和出射方向，δ为半角与法向量之间的夹角，P为所述平行脉序植物叶片上的点，ρ_d、ρ_s、α分别为漫反射强度、高光反射强度和粗糙度。

本发明还提供了一种平行脉序植物叶片表观纹理合成系统，包括以下模块：

划分模块，按纹理特征将叶片划分为若干个基本结构单元；

计算模块，按平行脉序植物叶片的表观参数计算得到每个基本结构单元的表观纹理图像；

排列模块，排列所述若干基本结构单元的表观纹理图像，形成所述平行脉序植物表观纹理结构。

优选地，所述基本结构单元为N×N的像素方阵，其中N为正整数；

所述基本结构单元包括：叶肉、一级叶脉、二级叶脉和三级叶脉。

所述排列模块具体包括：

设定子模块，设定单元集合A₁由m₀个所述三级叶脉与m₁个叶肉排列组成，单元集合A₂由m₂个一级叶脉依次排列组成，单元集合A₃由m₃个二级叶脉组成，单元集合A₄由m₄个A₁单元集合排列组成，单元集合A₅和单元集合A₆均由A₁和A₂组合排列形成且两者成镜面对称，以单元集合A₃为中心，A₃的左边为m₅个A₅单元集合，右边为m₅个A₆单元集合，将上述行结构竖直进行排列，形成宽度为(m₂+2×(m₅×(m₃+m₄×(m₀+m₁))))×N、高度为m₆×N的m₆行基本结构单元组成的平行脉序植物表观纹理结构；

其中，

m₁＝4×m₀；

m₂＝m₃+m₄×(m₀+m₁)

m₃＝m₁；

m₄＝4；

m₅＝5×m₂；

m₆＝5×(m₂+2×(m₅×(m₃+m₄(m₀+m₁)))

m₀至m₆均为大于0的正整数。

优选地，获取模块，获取所述叶肉、一级叶脉、二级叶脉和三级叶脉的表观参数范围；

选取模块，在所述表观参数范围内为每个所述基本结构单元选取一组所述表观参数，确保同列所述基本结构单元的所述表观参数差异小于10％。

优选地，所述像素方阵是按下式生成的：

其中，f_r(θ_i,φ_i,θ_r,φ_r,P)为计算得到的像素方阵中每个点的RGB值；(θ_i,φ_i)、(θ_r,φ_r)分别为光线的入射方向和出射方向，δ为半角与法向量之间的夹角，P为所述平行脉序植物叶片上的点，ρ_d、ρ_s、α分别为漫反射强度、高光反射强度和粗糙度。

通过采用本发明所公开的方法和系统，将平行脉序植物表面的四个基本结构单元，即叶肉、一级叶脉、二级叶脉和三级叶脉分别进行组合，构建成平行脉序植物表观纹理结构的表观纹理。本发明既能使生成的平行脉序植物表观纹理结构符合叶片的实际表观结构特征，而且通过改变参数可以获得任意分辨率的表观纹理；通过控制同列单元的表观参数的差异，可以使构建的平行脉序植物表观纹理结构的脉络更加清晰。

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是本发明的实施例一的平行脉序植物叶片表观纹理合成方法流程示意图；

图2示出了本发明的实施例一的叶龄为1的玉米叶片纹理图；

图3示出了本发明的实施例一的叶龄为3的玉米叶片纹理图；

图4示出了本发明的实施例二的结构示意图。

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。

实施例一：

如图1所示，本实施例的平行脉序植物叶片表观纹理合成方法步骤如下：

S1：按纹理特征将叶片划分为若干个基本结构单元；

S2：按平行脉序植物叶片的表观参数计算得到每个基本结构单元的表观纹理图像；

S3：排列所述若干基本结构单元的表观纹理图像，形成所述平行脉序植物表观纹理结构。

本发明既能使生成的平行脉序植物表观纹理结构符合叶片的实际表观结构特征，而且在理论上可以生成任意分辨率的表观纹理；通过控制同列单元的表观参数的差异，可以使构建的平行脉序植物表观纹理结构的脉络更加清晰。

所述基本结构单元为N×N的像素方阵，其中N为正整数；

所述基本结构单元包括：叶肉、一级叶脉、二级叶脉和三级叶脉。

所述步骤S3具体包括：

S31：设定单元集合A₁由m₀个所述三级叶脉与m₁个叶肉排列组成，单元集合A₂由m₂个一级叶脉依次排列组成，单元集合A₃由m₃个二级叶脉组成，单元集合A₄由m₄个A₁单元集合排列组成，单元集合A₅和单元集合A₆均由A₁和A₂组合排列形成且两者成镜面对称，以单元集合A₃为中心，A₃的左边为m₅个A₅单元集合，右边为m₅个A₆单元集合，将上述行结构竖直进行排列，形成宽度为(m₂+2×(m₅×(m₃+m₄×(m₀+m₁))))×N、高度为m₆×N的m₆行基本结构单元组成的平行脉序植物表观纹理结构；

其中，

m₁＝4×m₀；

m₂＝m₃+m₄×(m₀+m₁)

m₃＝m₁；

m₄＝4；

m₅＝5×m₂；

m₆＝5×(m₂+2×(m₅×(m₃+m₄(m₀+m₁)))

m₀至m₆均为大于0的正整数。

通过指定m₀和N可以获得最终的平行脉序植物叶片表观纹理，还可以通过设定不同的N的值来获得任意分辨率的平行脉序植物叶片表观纹理。N值越大，所述平行脉序植物叶片表观纹理的分辨率越高，从而避免了现有技术中由于植物叶片大小不一且多有褶皱而造成仿真的图像分辨率不高的技术问题。

所述步骤S2之前还包括：

S21：获取所述叶肉、一级叶脉、二级叶脉和三级叶脉的表观参数范围；

S22：在所述表观参数范围内为每个所述基本结构单元选取一组所述表观参数，确保同列所述基本结构单元的所述表观参数差异小于10％。

通过为所述平行脉序植物叶片表观纹理赋予表观参数，避免了传统的植物虚拟建模方法受拍摄环境、光照条件、拍摄角度等多种因素的制约，使得生成的纹理存在噪声，并且样式单一的技术问题。同时，确保同列所述基本结构单元的所述表观参数差异小于10％，能够获取脉络更加清晰的仿真结果。

所述像素方阵是按下式生成的：

其中，f_r(θ_i,φ_i,θ_r,φ_r,P)为计算得到的像素方阵中每个点的RGB值；(θ_i,φ_i)、(θ_r,φ_r)分别为光线的入射方向和出射方向，δ为半角与法向量之间的夹角，P为所述平行脉序植物叶片上的点，ρ_d、ρ_s、α分别为漫反射强度、高光反射强度和粗糙度。

所述表观参数包括漫反射强度、高光反射强度和粗糙度。

以玉米叶片为例，由于玉米叶片在不同生长阶段的漫反射强度值是不同的，可将玉米叶片生长周期分成六个阶段，用叶龄T1至T6来表示，其在不同阶段的漫反射强度值(本领域技术人员应该知道漫反射强度为RGB三维向量)如表1所示：

表1 玉米叶片在叶龄为T1-T6时的漫反射强度

所述玉米叶片的高光反射强度随着叶片的生长变化不大。在本发明中，将高光反射强度表示为灰度值，各单元高光强度值分别为：

叶肉:在0.08～0.11之间随机；

一、二、三级叶脉:在0.17～0.19之间随机选取。

与高光反射强度类似，所述玉米叶片的粗糙度也随着玉米叶片的生长变化不大，各单元的粗糙度值为：

叶肉：0.1～0.2之间随机；

一、二、三级叶脉：0.4～0.6之间随机。

叶龄为T1的所述玉米叶片的表观纹理和仿真结果如图2所示，叶龄为T3的所述玉米叶片的表观纹理和仿真结果如图3所示。

本发明既能使生成的平行脉序植物表观纹理结构符合叶片的实际表观结构特征，而且在理论上可以生成任意分辨率的表观纹理；通过控制同列单元的表观参数的差异，可以使构建的平行脉序植物表观纹理结构的脉络更加清晰。

实施例二：

本发明还提供了一种平行脉序植物叶片表观纹理合成系统，包括以下模块：

划分模块，按纹理特征将叶片划分为若干个基本结构单元；

计算模块，按平行脉序植物叶片的表观参数计算得到每个基本结构单元的表观纹理图像；

排列模块，排列所述若干基本结构单元的表观纹理图像，形成所述平行脉序植物表观纹理结构。

本发明既能使生成的平行脉序植物表观纹理结构符合叶片的实际表观结构特征，而且在理论上可以生成任意分辨率的表观纹理；通过控制同列单元的表观参数的差异，可以使构建的平行脉序植物表观纹理结构的脉络更加清晰。

所述基本结构单元为N×N的像素方阵，，其中N为正整数；

所述基本结构单元包括：叶肉、一级叶脉、二级叶脉和三级叶脉。

所述排列模块具体包括：

设定子模块，设定单元集合A₁由m₀个所述三级叶脉与m₁个叶肉排列组成，单元集合A₂由m₂个一级叶脉依次排列组成，单元集合A₃由m₃个二级叶脉组成，单元集合A₄由m₄个A₁单元集合排列组成，单元集合A₅和单元集合A₆均由A₁和A₂组合排列形成且两者成镜面对称，以单元集合A₃为中心，A₃的左边为m₅个A₅单元集合，右边为m₅个A₆单元集合，将上述行结构竖直进行排列，形成宽度为(m₂+2×(m₅×(m₃+m₄×(m₀+m₁))))×N、高度为m₆×N的m₆行基本结构单元组成的平行脉序植物表观纹理结构；

其中，

m₁＝4×m₀；

m₂＝m₃+m₄×(m₀+m₁)

m₃＝m₁；

m₄＝4；

m₅＝5×m₂；

m₆＝5×(m₂+2×(m₅×(m₃+m₄(m₀+m₁)))

m₀至m₆均为大于0的正整数。

通过指定m₀和N可以获得最终的平行脉序植物叶片表观纹理，还可以通过设定不同的N的值来获得任意分辨率的平行脉序植物叶片表观纹理。N值越大，所述平行脉序植物叶片表观纹理的分辨率越高，从而避免了现有技术中由于植物叶片大小不一且多有褶皱而造成仿真的图像分辨率不高的技术问题。

还包括：

获取模块，获取所述叶肉、一级叶脉、二级叶脉和三级叶脉的表观参数范围；

选取模块，在所述表观参数范围内为每个所述基本结构单元选取一组所述表观参数，确保同列所述基本结构单元的所述表观参数差异小于10％。

通过为所述平行脉序植物叶片表观纹理赋予表观参数，避免了传统的植物虚拟建模方法受拍摄环境、光照条件、拍摄角度等多种因素的制约，使得生成的纹理存在噪声，并且样式单一的技术问题。同时，确保同列所述基本结构单元的所述表观参数差异小于10％，能够获取脉络更加清晰的仿真结果。

所述像素方阵是按下式生成的：

其中，f_r(θ_i,φ_i,θ_r,φ_r,P)为计算得到的像素方阵中每个点的RGB值；(θ_i,φ_i)、(θ_r,φ_r)分别为光线的入射方向和出射方向，δ为半角与法向量之间的夹角，P为所述平行脉序植物叶片上的点，ρ_d、ρ_s、α分别为漫反射强度、高光反射强度和粗糙度。

综上所述，通过采用本发明所公开的方法和系统，将平行脉序植物表面的四个基本结构单元，即叶肉、一级叶脉、二级叶脉和三级叶脉分别进行组合，构建成平行脉序植物表观纹理结构的表观纹理。所述基本结构单元为N×N像素方阵，N值越大，所述平行脉序植物叶片表观纹理的分辨率越高，从而避免了现有技术中由于植物叶片大小不一且多有褶皱而造成仿真的图像分辨率不高的技术问题。本发明通过为所述平行脉序植物叶片表观纹理赋予表观参数，避免了传统的植物虚拟建模方法受拍摄环境、光照条件、拍摄角度等多种因素的制约，使得生成的纹理存在噪声，并且样式单一的技术问题。

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 (6)

1.一种平行脉序植物叶片表观纹理合成方法，其特征在于，包括以下步骤：

按纹理特征将叶片划分为若干个基本结构单元；

按平行脉序植物叶片的表观参数计算得到每个基本结构单元的表观纹理图像；

排列所述若干基本结构单元的表观纹理图像，形成所述平行脉序植物表观纹理结构；

所述基本结构单元为N×N的像素方阵，其中N为正整数；

所述基本结构单元包括：叶肉、一级叶脉、二级叶脉和三级叶脉；

其中，所述排列所述若干个基本结构单元的表观纹理图像的步骤具体包括：

设定单元集合A₁由m₀个所述三级叶脉与m₁个叶肉排列组成，单元集合A₂由m₂个一级叶脉依次排列组成，单元集合A₃由m₃个二级叶脉组成，单元集合A₄由m₄个A₁单元集合排列组成，单元集合A₅和单元集合A₆均由A₁和A₂组合排列形成且两者成镜面对称，以单元集合A₃为中心，A₃的左边为m₅个A₅单元集合，右边为m₅个A₆单元集合，将上述以单元集合A₃为中心，A₃的左边为m₅个A₅单元集合，右边为m₅个A₆单元集合的行结构竖直进行排列，形成宽度为(m₂+2×(m₅×(m₃+m₄×(m₀+m₁))))×N、高度为m₆×N的m₆行基本结构单元组成的平行脉序植物表观纹理结构；

其中，

m₁＝4×m₀；

m₂＝m₃+m₄×(m₀+m₁)

m₃＝m₁；

m₄＝4；

m₅＝5×m₂；

m₆＝5×(m₂+2×(m₅×(m₃+m₄(m₀+m₁)))

m₀至m₆均为大于0的正整数。

2.根据权利要求1所述的平行脉序植物叶片表观纹理合成方法，其特征在于，所述按平行脉序植物叶片的表观参数计算得到每个基本结构单元的表观纹理图像的步骤之前还包括：

获取叶肉、一级叶脉、二级叶脉和三级叶脉的表观参数范围；

在所述表观参数范围内为每个所述基本结构单元选取一组所述表观参数，确保同列所述基本结构单元的所述表观参数差异小于10％。

3.根据权利要求1所述的平行脉序植物叶片表观纹理合成方法，其特征在于，所述像素方阵是按下式生成的：

$f_r({\mathrm{\θ}}_i,{\mathrm{\φ}}_i,{\mathrm{\θ}}_r,{\mathrm{\φ}}_r,P)=\frac{{\mathrm{\ρ}}_d}{\mathrm{\π}}+{\mathrm{\ρ}}_s\×\frac{1}{\sqrt{{\mathrm{cos\θ}}_{i}cos\mathrm{\θ}r}}\×\frac{e^{-{\tan }^2\mathrm{\δ}/{\mathrm{\α}}^2}}{4{\mathrm{\π\α}}^2}$

其中，f_r(θ_i,φ_i,θ_r,φ_r,P)为计算得到的像素方阵中每个点的RGB值；(θ_i,φ_i)、(θ_r,φ_r)分别为光线的入射方向和出射方向，δ为半角与法向量之间的夹角，P为所述平行脉序植物叶片上的点，ρ_d、ρ_s、α分别为漫反射强度、高光反射强度和粗糙度。

4.一种平行脉序植物叶片表观纹理合成系统，其特征在于，包括以下模块：

划分模块，按纹理特征将叶片划分为若干个基本结构单元；

计算模块，按平行脉序植物叶片的表观参数计算得到每个基本结构单元的表观纹理图像；

排列模块，排列所述若干基本结构单元的表观纹理图像，形成所述平行脉序植物表观纹理结构；

所述基本结构单元为N×N的像素方阵，其中N为正整数；

所述基本结构单元包括：叶肉、一级叶脉、二级叶脉和三级叶脉；

其中，所述排列模块具体包括：

设定子模块，设定单元集合A₁由m₀个所述三级叶脉与m₁个叶肉排列组成，单元集合A₂由m₂个一级叶脉依次排列组成，单元集合A₃由m₃个二级叶脉组成，单元集合A₄由m₄个A₁单元集合排列组成，单元集合A₅和单元集合A₆均由A₁和A₂组合排列形成且两者成镜面对称，以单元集合A₃为中心，A₃的左边为m₅个A₅单元集合，右边为m₅个A₆单元集合，将上述以单元集合A₃为中心，A₃的左边为m₅个A₅单元集合，右边为m₅个A₆单元集合的行结构竖直进行排列，形成宽度为(m₂+2×(m₅×(m₃+m₄×(m₀+m₁))))×N高度为m₆×N的m₆行基本结构单元组成的平行脉序植物表观纹理结构；

其中，

m₁＝4×m₀；

m₂＝m₃+m₄×(m₀+m₁)

m₃＝m₁；

m₄＝4；

m₅＝5×m₂；

m₆＝5×(m₂+2×(m₅×(m₃+m₄(m₀+m₁)))

m₀至m₆均为大于0的正整数。

5.根据权利要求4所述的平行脉序植物叶片表观纹理合成系统，其特征在于，还包括：

获取模块，获取叶肉、一级叶脉、二级叶脉和三级叶脉的表观参数范围；

选取模块，在所述表观参数范围内为每个所述基本结构单元选取一组所述表观参数，确保同列所述基本结构单元的所述表观参数差异小于10％。

6.根据权利要求4或5所述的平行脉序植物叶片表观纹理合成系统，其特征在于，所述像素方阵是按下式生成的：

$f_r({\mathrm{\θ}}_i,{\mathrm{\φ}}_i,{\mathrm{\θ}}_r,{\mathrm{\φ}}_r,P)=\frac{{\mathrm{\ρ}}_d}{\mathrm{\π}}+{\mathrm{\ρ}}_s\×\frac{1}{\sqrt{{\mathrm{cos\θ}}_{i}cos\mathrm{\θ}r}}\×\frac{e^{-{\tan }^2\mathrm{\δ}/{\mathrm{\α}}^2}}{4{\mathrm{\π\α}}^2}$

其中，f_r(θ_i,φ_i,θ_r,φ_r,P)为计算得到的像素方阵中每个点的RGB值；(θ_i,φ_i)、(θ_r,φ_r)分别为光线的入射方向和出射方向，δ为半角与法向量之间的夹角，P为所述平行脉序植物叶片上的点，ρ_d、ρ_s、α分别为漫反射强度、高光反射强度和粗糙度。