CN106503280A - 基于手绘的三维可打印实体鲜花自由造型方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于手绘的三维可打印实体鲜花自由造型方法。该方法将鲜花/树木造型分成花序造型、花朵造型、花建模和实体化四个部分。花序造型分成结构布局和茎实体创建两个过程，花朵造型分成结构布局和雄蕊/雌蕊/花瓣创建两个部分。通过映射方法将实体映射到结构图中，从而快速有效的创建出鲜花的三维形态。本发明定义了大量直观编辑手势，用户可以轻松编辑花中任意元素。为了使最终模型可以用3D打印机快速成型，本发明公开了鲜花实体化新方法，该方法通过花瓣涨形、输精管-花粉囊合并、分支-分支合并、以及花朵内部合并的过程将原有模型密闭，从而使生成的鲜花模型可以打印成三维实体。
Description
技术领域
本发明涉及三维植物的计算机造型领域，尤其涉及一种基于手绘的三维可打印实体鲜花自由造型方法。
背景技术
3D植物建模和相关生态学模拟已有相当广泛的研究。这些研究工作包括了植物结构和形状创建、植物可视化、生长动画模拟、外力影响下的植物运动模拟以及实时渲染等。然而，由于植物形态的复杂性以及不同植物外观之间的巨大差异性，植物建模依旧是三维建模领域公认的难点和热点。
L-system是一个非常典型的基于规则的植物建模方法。L-system是通过一条公理和一组生成规则来描述一个对象的结构，因此它又被称为L-system文法。通过文法的反复叠代，最终能生成对象结构的符号表示。更进一步的，通过海龟作图方法，符号化表示的对象结构就能够可视化。L-system建模要求用户掌握L-system形式化方法和相关文法知识。又由于这种基于规则建模方法的输入，文法和各种参数和用户脑海中的所设想的输出，3D结构和几何外观十分不同，因此新手用户适应这种建模方法有些困难。
由于基于文法的建模对用户知识要求较高且建模过程参数调整繁琐，因此为了简化植物建模过程和降低对用户的知识要求，基于图像重构的几何造型方法也被提出来。该方法只要求用户指定枝干分割点，而骨架提取、相机定位以及枝干拓扑结构都是从图像中自动还原。另外还有基于图像交互分割的植物建模方法，该方法首先要求用户从不同视角对植物进行拍摄，接着系统利用标准运动还原方法还原照相参数和植物的三维点云，然后系统利用交互方法分割叶、花、枝干的图像区域和空间点云，再通过重构方法构建植物模型。以上方法都和初始拍摄角度、拍摄效果紧密相关，因此构建出的植物模型容易失真。
以上所有的植物建模方法都没有考虑模型的3D可打印性，这些方法生成的植物模型只能用来渲染或者做环境展示，另外以上建模方法交互复杂，按钮、菜单众多，要求用户输入大量参数，对用户的三维建模基础知识要求较高。
发明内容
基于以上描述，本发明要解决的技术问题是：为了解决现有的三维鲜花造型交互复杂，生成的模型无法用3D打印机打印，为此本发明提出了一种交互简易的基于手绘的可打印三维实体鲜花的造型方法。
本发明提出一种基于手绘接口的、忠实于植物学形态的三维实体鲜花建模方法，技术方案如下：
将三维鲜花造型分成四个步骤：花序建模、花朵建模、花建模和花实体化。
(1)在花序建模时，将建模过程分解成花序结构布局创建与编辑，茎实体的三维手绘创建与编辑两个过程。再通过拖拽方式将三维茎映射到花序结构图上，完成花序建模。
(2)在花朵建模时，将建模过程分解成花朵结构布局创建与编辑，雄蕊、雌蕊和花瓣的三维手绘创建与编辑两个过程。
(3)再通过拖拽方式将三维雄蕊、雌蕊和花瓣映射到花朵结构图上，完成花朵建模。此时再通过将花朵映射到花序结构图，从而将三维的花朵摆放到花茎上，完成鲜花建模。
(4)在花实体化时，自动地通过花瓣涨形、输精管-花粉囊合并、茎-茎合并、以及花朵内部合并的过程将原有模型密闭，从而使生成的鲜花模型可以打印成真实的三维模型。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的整个造型流程图。
图2是本发明的预定义的四种基本花序类型结构图。
图3是本发明的花序结构图的可编辑几何参数以及可编辑区域图。
图4是本发明的嫁接手势生成的复合花序结构图。
图5是本发明的将三维茎的一笔画创建和编辑方法图。
图6是本发明的将三维茎映射到花序的方法图。
图7是本发明的花朵结构图和可编辑区域图。
图8是本发明的三维雄蕊的两笔画创建和编辑方法图。
图9是本发明的三维雌蕊的两笔画创建和编辑方法图。
图10是本发明的三维花瓣的两笔画创建和编辑方法图。
图11是本发明的三维花瓣的空间编辑方法图。
图12是本发明的将三维雄蕊、雌蕊、花瓣映射到花朵结构图生成的三维花朵。
图13是本发明的将三维花朵、茎映射到花序结构图生成的三维鲜花图。
图14是本发明的利用层次细节技术生成的三维鲜花图。
图15是本发明的花瓣膨胀算法生成的实体花瓣。
图16是本发明的利用切割平面和约束德洛奈实现的茎-茎合并。
图17是本发明的利用切割平面和约束德洛奈实现的雄蕊合并。
图18是本发明的利用雄蕊、雌蕊、花瓣底部的平面映射和约束德洛奈实现的花朵内部合并。
图19是本发明的利用茎-茎合并以及花朵内部合并生成的最终可打印三维鲜花模型。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为实际操作示意图，从而显示与本发明有关的构成。
为了更好的表达本具体实施方式，在其他证明文件中特别提交了说明书附图的彩色图片。
如图1所示，本发明提供了一种基于手绘的三维可打印实体鲜花自由造型方法，方法将花建模分成四个过程：花序建模、花朵建模、花建模和花实体化。
如图2所示，在花序建模中，本发明提供了四种基本的花序结构模板：总状、伞状、二歧聚伞和镰状聚伞花序。
如图3所示，在花序建模中，本发明提供了直接在花序结构图上对花序进行编辑的方法，用户可以直接拖拽图3中A-H区域，从而直接在结构图上编辑花序的各项几何参数。
在花序结构图中，本发明提供了图3所示的九种几何参数和两种特征参数。几何参数包括了茎根部位置坐标P0,茎高度Hs，茎底部高度Hb，相邻分支高度差Hd，分支长度Lb，分枝与父分支垂直正向夹角αv，分枝与父分支旋转正向夹角αr(未在图中列出)，花朵半径Rb，相邻分支长度比rL，相邻花朵半径比rR，以及花序度数N。特征参数包括了花序的有限或无限标志，向阳或喜阴标志。事实上，过多参数设置不利于用户交互，尤其当参数都需要通过键盘完成时，这种操作不直观且设置复杂的缺点更加明显。因此本发明提供给用户一种直观、合理的编辑手段，本发明利用手绘中的拖拽手势设计了如图3所示的九个编辑手势区域A-H。
如图4所示，在花序建模中，本发明提供了映射手势，通过将一个花序拖拽到另一个花序上，从而创建出复合花序。为了实现整体编辑和嫁接，本发明的花序结构采用含有父节点的二叉树实现。
如图5所示，本发明提供茎实体的一笔画创建方式，通过一笔画生成一条扫描路径，从而创建一个扫描类型的网格实体，扫描截面线采用圆。为了调整茎/分支的粗细，系统在该轨迹的首尾处绘制了两个圆弧，用户可以通过拖拽圆弧边界的方法调整首尾部分的粗细程度，而中间部分的粗细度是由首尾处粗细度线性差值获得。用户还可以对路径进行取代手势的编辑。
如图6所示，在花序建模中，本发明提供了将三维茎映射到花序结构图分支的手势，从而在花序上构建出三维茎。系统将自动通过平移、旋转和缩放操作将茎的三维实体合理地映射到花序结构图中的分支上。这里依旧使用拖拽手势表示映射意图。花序结构图中被拖拽映射分支的所有子分支都将被映射。被映射的茎实体依旧可以编辑，当用替代手势编辑完分支实体轮廓后，还要将该分支的所有子分支的三维实体重新粘附到该分支表面，从而保证父分支实体与子分支实体在空间上的相关性。
如图7所示，本发明提供了花朵结构图和对应的编辑区域，其中绿色三角形代表花瓣、红色圆形代表雌蕊，蓝色双圆形代表雄蕊，用户可以拖拽图6中A-H区域，从而编辑花朵结构的各项几何参数。本发明提供了花朵结构图中的十二种几何参数和两种特征参数。几何参数包括花瓣距花朵中心距离，花瓣竖直方向夹角，花瓣相对于花朵中心旋转角，花瓣大小参数，花瓣数目参数，雄蕊距花朵中心距离，雄蕊竖直方向夹角，雄蕊相对于花朵中心旋转角，雄蕊大小参数，雄蕊数目参数，以及雌蕊中心坐标,雌蕊大小参数。需要指出的是这里默认雌蕊的个数不超过1，并且雌蕊中心就是整个花朵的中心。花朵特征参数包括了是否雌雄同株和是否夜间开放。和花序结构图编辑操作方式一样，本发明提供九个拖拽区域A-H从而编辑以上各个几何参数，如图8所示，本发明提供了雄蕊实体的两笔画创建方法，其中的一笔画生成一条扫描路径从而创建一个扫描类型的网格实体，扫描截面采用圆。另一笔画生成一个封闭的膨胀网格实体。扫描体和膨胀体分别表示花柱和柱头。本发明还提供了对笔画再次编辑的方式从而对雄蕊实体进行编辑。
如图9所示，本发明提供了雌蕊实体的两笔画创建方法，其中的一笔画生成一条旋转轴，另一笔画生成轮廓线，从而创建一个旋转网格体。本发明还提供了笔画再次编辑的方式对雌蕊实体进行编辑。
如图10所示，本发明提供了花瓣的两笔画创建方法，其中的一笔画生成花瓣左边边界，另一笔画生成花瓣右边边界，两个边界在顶端和底端交叉，从而生成花瓣的平面网格。本发明还提供了笔画再次编辑的方式对平面花瓣进行编辑。如图11所示，通过对轮廓和轴线的手绘编辑，将花瓣编辑成三维空间网格。
如图12所示，本发明提供了将三维的雄蕊、雌蕊和花瓣分别映射到对应的花朵结构图中的圆、三角和双圆，从而完成花朵的建模。系统将自动通过平移、旋转和缩放操作将三维实体摆放到花朵结构图中合理的位置。映射依旧是通过拖拽手势完成的。
如图13所示，本发明提供了将三维的花朵、三维的茎拖拽到花序结构图中的球和线段从而实现三维映射，完成鲜花建模。在花朵映射到花序结构图过程中，算法将会在相应的茎/分支三维实体的顶端中心摆放花朵，其摆放角度将满足雌蕊旋转轴和茎/分支轴线顶端切矢平行，为了增加真实感，本发明提供的映射还在此基础上偏移一个随机角度，被映射后花朵中的任意三维实体仍然可以继续手绘编辑。
如图14所示，本发明在映射过程中根据结构图上目标对象的大小自动设置花朵的层次细节简化比例。只有雄蕊上的花药采用传统的几何简化方法，其它所有元素都采用结构简化。例如，对于雌蕊来说，因为其结构是由旋转体构成的，所以这里通过减少轮廓的离散点数并重构旋转网格以达到简化目的。
当以上基本三维鲜花模型完成后，本发明接着对初始模型进行实体化操作，其中包括花瓣实体化、分支-分支实体化、雄蕊实体化以及花朵内部实体化。
如图15所示，本发明通过一种花瓣涨形算法，将花瓣曲面向上、下两方向分别膨胀，然后均匀离散成两片网格，再通过拓扑关系合并，最终的花瓣网格将是一个密闭实体网格。图15展示了不同膨胀比率生成的实体花瓣形态。
如图16所示，本发明通过一种茎-茎合并算法合并父子分支。首先确定茎-茎之间的切割平面，然后裁剪茎，再通过约束德洛奈算法将两个多边形构建成一片过渡网格，最终的茎-茎之间将是一片几何相连的网格。
如图17所示，本发明通过一种输精管-花粉囊合并算法合并雄蕊。首先确定雄蕊的花粉囊和输精管之间的切割平面，然后裁剪输精管和花粉囊，再通过约束德洛奈算法将两个多边形构建成一片过渡网格，最终的花粉囊和输精管之间将是一片几何相连的网格
如图18所示，本发明通过一种花朵内部合并算法，将雄蕊、雌蕊、花瓣与茎合并在一起，方法是利用约束德洛奈算法将雄蕊、雌蕊、花瓣以及茎的开放边界多边形构建出一片桥接网格区域，从而实现雄蕊、雌蕊、花瓣以及茎的三维网格在几何和拓扑上的自动合并。
如图19所示，本发明通过上述所示的实体化方法，将一个不可打印的手绘鲜花模型转换成一个可以用3D打印机快速成型的实体手绘鲜花模型。
Claims (13)
1.一种基于手绘的三维可打印实体鲜花自由造型方法，其特征在于，将花建模分成四个步骤：花序建模、花朵建模、花建模和花实体化，具体为:
(1)花序建模，其中包括：花序结构的布局创建与编辑和茎实体的三维手绘创建与编辑两个部分；然后通过拖拽方式将三维茎实体映射到花序结构图上，完成花序建模；
(2)花朵建模，其中包括：花朵结构布局创建与编辑和雄蕊、雌蕊和花瓣的三维手绘创建与编辑两个部分；然后通过拖拽方式将三维雄蕊、雌蕊和花瓣映射到花朵结构图上，完成花朵建模；
(3)花建模，通过将花朵映射到花序结构图，从而将三维的花朵摆放到花茎上，完成花建模；
(4)花实体化，是通过花瓣涨形、输精管-花粉囊合并、茎-茎合并、以及花朵内部合并的过程将原有模型密闭，从而使生成的鲜花模型可以打印成真实的三维模型。
2.根据权利要求1所述的一种基于手绘的三维可打印实体鲜花自由造型方法，其特征在于：所述的花序结构布局创建与编辑是通过四种预定义的花序模板：总状、伞状、二歧聚伞、镰状聚伞花序，将各种类型花序通过拖拽嫁接方式进行组合从而创建任意形态的花序结构。
3.根据权利要求1所述的一种基于手绘的三维可打印实体鲜花自由造型方法，其特征在于：所述的茎实体的三维手绘创建是通过手绘一笔画，生成一条扫描路径，从而创建一个扫描类型的网格实体，扫描截面采用圆。
4.根据权利要求1所述的一种基于手绘的三维可打印实体鲜花自由造型方法，其特征在于：所述的花朵结构布局创建与编辑是通过用将雌蕊、雄蕊、花瓣分别用圆、三角和双圆形的简单表示，创建花朵布局示意图，用户可通过拖拽手势对圆、三角和双圆进行尺寸、角度、距离进行参数编辑。
5.根据权利要求1所述的一种基于手绘的三维可打印实体鲜花自由造型方法，其特征在于：所述的雄蕊实体的三维手绘创建是通过两笔画完成的，其中的一笔画生成一条扫描路径从而创建一个扫描类型的网格实体，扫描截面采用圆；另一笔画生成一个封闭的膨胀网格实体；扫描体和膨胀体分别表示花柱和柱头。
6.根据权利要求1所述的一种基于手绘的三维可打印实体鲜花自由造型方法，其特征在于：所述的雌蕊实体的三维手绘创建是通过两笔画完成的，其中的一笔画生成一条旋转轴，另一笔画是生成一条轮廓线，从而创建一个旋转网格体。
7.根据权利要求1所述的一种基于手绘的三维可打印实体鲜花自由造型方法，其特征在于：所述的花瓣实体的三维手绘创建是通过两笔画完成的，其中的一笔画生成花瓣左边边界，另一笔画生成花瓣右边边界，两个边界在顶端和底端交叉，从而生成花瓣的平面网格；通过对轮廓和轴线的手绘编辑，将花瓣编辑成三维空间网格。
8.根据权利要求1所述的一种基于手绘的三维可打印实体鲜花自由造型方法，其特征在于：所述的三维雄蕊、雌蕊和花瓣映射到花朵结构图，是通过将三维的雄蕊、雌蕊和花瓣拖拽到对应的花朵结构图中的圆、三角和双圆从而实现三维映射，从而完成花朵的建模。
9.根据权利要求1所述的一种基于手绘的三维可打印实体鲜花自由造型方法，其特征在于：所述的花朵映射到花序结构图，是通过将三维的花朵拖拽到对应的花序结构图中的球和线段从而实现三维映射，从而完成花的建模。
10.根据权利要求1所述的一种基于手绘的三维可打印实体鲜花自由造型方法，其特征在于：所述的花瓣涨形，是通过将花瓣曲面向上、下两方向分别膨胀，然后均匀离散成两片网格，再通过拓扑关系合并，最终的花瓣网格将是一个密闭实体网格。
11.根据权利要求1所述的一种基于手绘的三维可打印实体鲜花自由造型方法，其特征在于：所述的茎-茎合并，是通过确定茎-茎之间的切割平面，然后裁剪茎，再通过约束德洛奈算法将其合并，最终的茎-茎之间将是一片几何相连的网格。
12.根据权利要求1所述的一种基于手绘的三维可打印实体鲜花自由造型方法，其特征在于：所述的输精管-花粉囊合并，是通过确定雄蕊的花粉囊和输精管之间的切割平面，然后裁剪输精管和花粉囊，再通过约束德洛奈算法将其合并，最终的花粉囊和输精管之间将是一片几何相连的网格。
13.根据权利要求1所述的一种基于手绘的三维可打印实体鲜花自由造型方法，其特征在于：所述的花朵内部合并，是将雄蕊、雌蕊、花瓣与茎合并在一起，方法是利用约束德洛奈算法将平面网格还原出各个部分的桥接区域，从而达到合并目的。
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