CN105528491A

CN105528491A - 一种植物动态虚拟仿真方法及系统

Info

Publication number: CN105528491A
Application number: CN201510984848.7A
Authority: CN
Inventors: 肖伯祥; 郭新宇; 温维亮; 樊江川; 王殿亮
Original assignee: Beijing Research Center for Information Technology in Agriculture
Current assignee: Beijing Research Center for Information Technology in Agriculture
Priority date: 2015-12-24
Filing date: 2015-12-24
Publication date: 2016-04-27

Abstract

本发明涉及一种植物动态虚拟仿真方法及系统。该方法包括：根据植物的拓扑结构建立植物的质点弹簧模型，确定质点数量和质点质量；在连续的运动捕捉时间序列内，根据所述植物上的运动捕捉特征点捕捉所述植物的运动，并记录捕捉到的运动数据帧；分析所述运动数据帧，获取所述质点弹簧模型的参数，进行植物动态虚拟仿真。本发明通过建立物理模型参数与植物真实物理运动之间的量化关系，有效保证物理模型参数的合理性和准确性，提高了植物虚拟仿真的效果。

Description

一种植物动态虚拟仿真方法及系统

技术领域

本发明涉及计算机模拟技术领域，尤其涉及一种植物动态虚拟仿真方法及系统。

背景技术

植物虚拟建模与仿真是当前植物学、农学和计算机应用研究等领域中所面临的重要难点问题，特别是高精度高真实感的植物动态建模与仿真更加复杂，与此同时，随着虚拟植物在科学研究、虚拟展示、游戏娱乐、园艺景观设计等典型应用中不断深入，传统的植物虚拟建模与仿真方法无法满足各领域对植物动态虚拟仿真的要求，植物对象的三维动态模拟和动画合成已经发展成为一个热点问题。提出准确高效的植物动态仿真方法，建立高精度高真实感植物动态虚拟模型，包括三维形态模型和动态物理模型，并准确计算模型各项物理参数不仅具有重要意义，也具有广泛的实际应用价值。

植物动态虚拟仿真方法和模型主要包括基于规则的动态L-系统方法，参数化建模方法、基于图像的建模方法、基于物理的建模方法和基于数据驱动的建模方法。其中基于物理的建模方法由于其能够在较大程度上模拟物体的真实运动规律，在刚体、织物、自然现象等多种场合得到较为广泛的应用，在植物虚拟仿真中得到初步的应用，可基本实现植物动态过程仿真的模拟，此类方法难点在于难以准确定义物理模型参数以及计算参数的值，从而使仿真效果和精度存在较大局限性。

现有的基于物理模型的植物叶片萎蔫模拟方法中涉及基于物理的建立植物叶片三维模型。所述方法包括步骤：构建三维植物叶片模型的体素集，体素集包括多个用于模拟植物叶片叶肉内部细胞的六面体单元；将体素集转化为质点弹簧模型；对质点弹簧模型施加外力后，模拟计算六面体单元中各个顶点的位移；根据六面体单元中各个顶点的位移，插值出叶片模型中三角网格的顶点的坐标。所述方法，通过三维模型构造体素集，基于该体素集构建的质点弹簧模型是多层的，与真实植物叶片的内部结构更加贴近，并且质点弹簧之间连接更加稳定；采用了隐式纽马克积分算法可以在大步长下进行模拟，保证了模型能够进行实时的可视化模拟。

现有的基于物理模型的植物虚拟仿真建模方法是基于质点弹簧模型的模拟，根据经验值提前指定物理参数，根据虚拟仿真视觉效果定性评价运动过程的真实感，然后通过交互修改模型参数的方式。模型构建及参数选择具有较大主观性，从而限制了模型的普适性，也限制了虚拟仿真的效果和精度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：现有的植物虚拟仿真方法中建立的模型精度低导致仿真效果差的问题。

为解决上述技术问题，本发明一方面提出了一种植物动态虚拟仿真方法，该植物动态虚拟仿真方法包括：

根据植物的拓扑结构建立植物的质点弹簧模型，确定质点数量和质点质量；

在连续的运动捕捉时间序列内，根据所述植物上的运动捕捉特征点捕捉所述植物的运动，并记录捕捉到的运动数据帧；

分析所述运动数据帧，获取所述质点弹簧模型的参数，进行植物动态虚拟仿真。

可选地，所述质点弹簧模型由多个弹簧构成，所述弹簧两端的顶点为质点。

可选地，在所述在连续的运动捕捉时间序列内，根据所述植物上的运动捕捉特征点捕捉所述植物的运动之前，还包括：

在所述植物上布设运动捕捉特征点，所述运动捕捉特征点的布设方式与所述质点弹簧模型的质点相对应。

可选地，所述质点弹簧模型的参数包括弹簧的弹性系数、弹簧的原始长度和质点的阻尼系数。

可选地，所述质点弹簧模型具体为：

M \overset{\cdot\cdot}{P} + D \overset{\cdot}{P} + K P = f,

其中，P为模型三维点集，K为模型刚度系数，为模型三维点集的运动过程的速度，D为模型质点的阻尼系数，为模型三维点集的运动过程的加速度，M为模型质量矩阵，f为模型所受外力总和。

可选地，所述分析所述运动数据帧，获取所述质点弹簧模型的参数包括：

求解下述线性方程组，获取所述质点弹簧模型的弹簧的弹性系数k_i、弹簧的原始长度d_i和质点的阻尼系数k_d；

[\begin{matrix} l_{0} V_{0 x} & V_{0 x} & l_{1} V_{1 x} & V_{1 x} & ... & v_{x} \\ l_{0} V_{0 y} & V_{0 y} & l_{1} V_{1 y} & V_{0 y} & ... & v_{y} \\ l_{0} V_{0 z} & V_{0 z} & l_{1} V_{1 z} & V_{0 z} & ... & v_{z} \\ ... \end{matrix}] [\begin{matrix} k_{0} \\ k_{0} d_{0} \\ k_{1} \\ k_{1} d_{1} \\ ... \\ k_{d} \end{matrix}] = \begin{matrix} m (a_{x} - g_{x}) \\ m (a_{y} - g_{y}) \\ m (a_{z} - g_{z}) \\ ... \end{matrix};

其中，弹簧在无外力作用下的受力方程为

Σ_{i = 1}^{N} k_{i} (l_{i} - d_{i}) {\overset{&RightArrow;}{V}}_{i} + k_{d} \overset{&RightArrow;}{v} + m \overset{&RightArrow;}{g} = m \overset{&RightArrow;}{a};

m为质点的质量，为加速度矢量，为速度矢量，k_i为第i个连接弹簧的弹性系数，l_i为第i个连接弹簧的当前长度，d_i为第i个连接弹簧的原始长度，为第i个弹簧的另一端连接质点与该质点构成的矢量的单位矢量，k_d为阻尼系数，为重力加速度矢量。

可选地，该方法还包括利用最小二乘法对质点弹簧模型的参数进行优化。

可选地，所述利用最小二乘法对质点弹簧模型的参数进行优化包括：

求解质点弹簧模型的参数使下式的值最小：

f_{m i n} = Σ_{t = 1}^{T} (Σ_{j = 1}^{J} | | Σ_{i = 1}^{N} k_{i} (l_{i} - d_{i}) {\overset{&RightArrow;}{V}}_{i} + k_{d} \overset{&RightArrow;}{v} + m \overset{&RightArrow;}{g} - m a | |^{2}),

其中，T为运动数据帧的帧数，N为质点弹簧模型参数的个数，J为质点个数。

可选地，所述确定质点数量和质点质量包括：

将所述植物分为N个部分，确定所述植物的N个质点，分别测量每个质点的质量；

其中，N为大于1的整数。

另一方面，本发明还提出了一种植物动态虚拟仿真系统，该系统包括：

质点弹簧模型建立单元，用于根据植物的拓扑结构建立植物的质点弹簧模型，确定质点数量和质点质量；

植物运动记录单元，用于在连续的运动捕捉时间序列内，根据所述植物上的运动捕捉特征点捕捉所述植物的运动，并记录捕捉到的运动数据帧；

动态虚拟仿真单元，用于分析所述运动数据帧，获取所述质点弹簧模型的参数，进行植物动态虚拟仿真。

本发明通过建立物理模型参数与植物真实物理运动之间的量化关系，有效保证物理模型参数的合理性和准确性，提高了植物虚拟仿真的效果。

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示出了本发明一个实施例的植物动态虚拟仿真方法的流程示意图；

图2示出了本发明一个实施例的植物动态虚拟仿真方法的原理示意图；

图3示出了本发明一个实施例的植物动态虚拟仿真方法的质点弹簧模型的连接方式的示意图；

图4示出了本发明一个实施例的植物动态虚拟仿真方法的运动捕捉特征点的示意图；

图5示出了本发明一个实施例的植物动态虚拟仿真方法的质点受力分析的示意图；

图6示出了本发明一个实施例的植物动态虚拟仿真系统的结构示意图。

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。

图1示出了本发明一个实施例的植物动态虚拟仿真方法的流程示意图。如图1所示，该植物动态虚拟仿真方法包括：

S1：根据植物的拓扑结构建立植物的质点弹簧模型，确定质点数量和质点质量；

S2：在连续的运动捕捉时间序列内，根据所述植物上的运动捕捉特征点捕捉所述植物的运动，并记录捕捉到的运动数据帧；

S3：分析所述运动数据帧，获取所述质点弹簧模型的参数，进行植物动态虚拟仿真。

本实施例的植物动态虚拟仿真方法通过建立物理模型参数与植物真实物理运动之间的量化关系，有效保证物理模型参数的合理性和准确性，提高了植物虚拟仿真的效果。

在一种可选的实施方式中，所述质点弹簧模型由多个弹簧构成，所述弹簧两端的顶点为质点。

图2示出了本发明一个实施例的植物动态虚拟仿真方法的原理示意图。如图2所示，本实施例首先根据植物拓扑结构建立基于质点弹簧模型的植物动态物理模型，按植物拓扑结构合理确定质点数量和质量值，以及质点的连接关系，连接的参数为待定。然后选取同类植物对象作为目标，利用运动捕捉技术，在同类器官上布设特征标记点，通过外力作用使目标发生形变，并记录各特征标记点的运动轨迹；对运动捕捉数据进行分析，根据物理模型建立运动数据的运动学分析模型，可通过运动数据求解物理模型的参数，从而得到完整的基于数据的植物动态物理模型；最后根据求解出的物理模型进行植物动态虚拟仿真模拟和动画合成。

图3示出了本发明一个实施例的植物动态虚拟仿真方法的质点弹簧模型的连接方式的示意图。如图3所示，以玉米叶片为例，可确定叶脉曲线上均匀分布的点，采取一级、二级连接的方式，对于茎杆类采用四边形结构，为保证稳定性，添加内角连接方式。

所述确定质点数量和质点质量包括：

其中，N为大于1的整数。

在具体实现中，质点的质量值m可通过实验测量目标物体的分段质量作为参考值，如叶片分为N点，可将同类叶片分割为对应长度的N个部分，测量每部分的质量值赋予相应质点。

在所述在连续的运动捕捉时间序列内，根据所述植物上的运动捕捉特征点捕捉所述植物的运动之前，还包括：

图4示出了本发明一个实施例的植物动态虚拟仿真方法的运动捕捉特征点的示意图。利用运动捕捉方法，在同类器官上布设特征标记点，通过外力作用使目标发生形变，并记录各特征标记点的运动轨迹。当运动捕捉点的布设方式与所述质点弹簧的质点相对应时，建立的质点弹簧的模型真实感比较强，由此进行的植物动态虚拟仿真效果比较好。

所述质点弹簧模型的参数包括弹簧的弹性系数、弹簧的原始长度和质点的阻尼系数。

进一步地，所述质点弹簧模型具体为：

M \overset{\cdot\cdot}{P} + D \overset{\cdot}{P} + K P = f,

[\begin{matrix} l_{0} V_{0 x} & V_{0 x} & l_{1} V_{1 x} & V_{1 x} & ... & v_{x} \\ l_{0} V_{0 y} & V_{0 y} & l_{1} V_{1 y} & V_{0 y} & ... & v_{y} \\ l_{0} V_{0 z} & V_{0 z} & l_{1} V_{1 z} & V_{0 z} & ... & v_{z} \\ ... \end{matrix}] [\begin{matrix} k_{0} \\ k_{0} d_{0} \\ k_{1} \\ k_{1} d_{1} \\ ... \\ k_{d} \end{matrix}] = \begin{matrix} m (a_{x} - g_{x}) \\ m (a_{y} - g_{y}) \\ m (a_{z} - g_{z}) \\ ... \end{matrix};

其中，弹簧在无外力作用下的受力方程为

Σ_{i = 1}^{N} k_{i} (l_{i} - d_{i}) {\overset{&RightArrow;}{V}}_{i} + k_{d} \overset{&RightArrow;}{v} + m \overset{&RightArrow;}{g} = m \overset{&RightArrow;}{a};

图5示出了本发明一个实施例的植物动态虚拟仿真方法的质点受力分析的示意图。在运动过程中，具有N个连接弹簧的某一质点的速度v和加速度a及其位置是紧密相关的，考虑阻尼k_d和重力G，加速度a可由与该质点相关的弹簧所产生拉(压)力f_ki、阻尼力f_d、重力f_g、外力f_ext以及质点的质量值m计算，构建如下式所示的方程：

需要说明的是，本实施例中在质点模型参数的求解过程中是在假设质点没有受到外力作用的情况下进行的。

该方法还包括利用最小二乘法对质点弹簧模型的参数进行优化。

在具体实现中，为提高解析精度，可增加运动学模型方程的个数，构造关于物理模型参数的超定方程组，进而计算超定方程组的解，如最小二乘解等，求解使下式值最小的计算值：

f_{m i n} = Σ_{t = 1}^{T} (Σ_{i}^{N} | | f (x_{i}) - f_{i} | |^{2}),

其中，T为时间轴帧数，N为参数个数，f_i为观测的实际值，f(x_i)为计算值。

进一步地，所述利用最小二乘法对质点弹簧模型的参数进行优化包括：

求解质点弹簧模型的参数使下式的值最小：

f_{m i n} = Σ_{t = 1}^{T} (Σ_{j = 1}^{J} | | Σ_{i = 1}^{N} k_{i} (l_{i} - d_{i}) {\overset{&RightArrow;}{V}}_{i} + k_{d} \overset{&RightArrow;}{v} + m \overset{&RightArrow;}{g} - m a | |^{2}),

图6示出了本发明一个实施例的植物动态虚拟仿真系统的结构示意图。如图6所示，该植物动态虚拟仿真系统包括：

质点弹簧模型建立单元61，用于根据植物的拓扑结构建立植物的质点弹簧模型，确定质点数量和质点质量；

植物运动记录单元62，用于在连续的运动捕捉时间序列内，根据所述植物上的运动捕捉特征点捕捉所述植物的运动，并记录捕捉到的运动数据帧；

动态虚拟仿真单元63，用于分析所述运动数据帧，获取所述质点弹簧模型的参数，进行植物动态虚拟仿真。

本实施例所述的植物动态虚拟仿真系统可以用于执行上述方法实施例，其原理和技术效果类似，此处不再赘述。

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

1.一种植物动态虚拟仿真方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的植物动态虚拟仿真方法，其特征在于，所述质点弹簧模型由多个弹簧构成，所述弹簧两端的顶点为质点。

3.根据权利要求1所述的植物动态虚拟仿真方法，其特征在于，在所述在连续的运动捕捉时间序列内，根据所述植物上的运动捕捉特征点捕捉所述植物的运动之前，还包括：

4.根据权利要求1所述的植物动态虚拟仿真方法，其特征在于，所述质点弹簧模型的参数包括弹簧的弹性系数、弹簧的原始长度和质点的阻尼系数。

5.根据权利要求1所述的植物动态虚拟仿真方法，其特征在于，所述质点弹簧模型具体为：

M \overset{\cdot\cdot}{P} + D \overset{\cdot}{P} + K P = f,

6.根据权利要求5所述的植物动态虚拟仿真方法，其特征在于，所述分析所述运动数据帧，获取所述质点弹簧模型的参数包括：

[\begin{matrix} \begin{matrix} l_{0} V_{0 x} & V_{0 x} & l_{1} V_{1 x} & V_{1 x} & ... & v_{x} \\ l_{0} V_{0 y} & V_{0 y} & l_{1} V_{1 y} & V_{0 y} & ... & v_{y} \\ l_{0} V_{0 z} & V_{0 z} & l_{1} V_{1 z} & V_{0 z} & ... & v_{z} \end{matrix} \\ ... \end{matrix}] [\begin{matrix} k_{0} \\ k_{0} d_{0} \\ k_{1} \\ k_{1} d_{1} \\ ... \\ k_{d} \end{matrix}] = \begin{matrix} m (a_{x} - g_{x}) \\ m (a_{y} - g_{y}) \\ m (a_{z} - g_{z}) \\ ... \end{matrix};

其中，弹簧在无外力作用下的受力方程为m为质点的质量，为加速度矢量，为速度矢量，k_i为第i个连接弹簧的弹性系数，l_i为第i个连接弹簧的当前长度，d_i为第i个连接弹簧的原始长度，为第i个弹簧的另一端连接质点与该质点构成的矢量的单位矢量，k_d为阻尼系数，为重力加速度矢量。

7.根据权利要求6所述的植物动态虚拟仿真方法，其特征在于，还包括利用最小二乘法对质点弹簧模型的参数进行优化。

8.根据权利要求7所述的植物动态虚拟仿真方法，其特征在于，所述利用最小二乘法对质点弹簧模型的参数进行优化包括：

求解质点弹簧模型的参数使下式的值最小：

f_{\min} = Σ_{t = 1}^{T} (Σ_{j = 1}^{J} | | Σ_{i = 1}^{N} k_{i} (l_{i} - d_{i}) {\overset{&RightArrow;}{V}}_{i} + k_{d} \overset{&RightArrow;}{v} + m \overset{&RightArrow;}{g} - m a | |^{2}),

9.根据权利要求1所述的植物动态虚拟仿真方法，其特征在于，所述确定质点数量和质点质量包括：

其中，N为大于1的整数。

10.一种植物动态虚拟仿真系统，其特征在于，包括：