CN112131744A - 一种基于实测参数及实体特征的舒茶早鲜叶片的建模方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于实测参数及实体特征的舒茶早鲜叶片的建模方法，所述方法包括以下步骤：舒茶早鲜叶片外形和结构特征参数的提取；舒茶早鲜叶片的三维实体几何模型的建立。本发明提出了一种基于实测参数及实体特征的舒茶早鲜叶片的建模方法，包括舒茶早鲜叶片不同结构的测量方法，首次采用机械零件实体建模技术，基于三维建模软件SolidWorks对舒茶早鲜叶片的建模方法。与采摘的鲜叶片相对比，构建的舒茶早鲜叶片模型结构参数一致、造型逼真，能够准确反映出舒茶早鲜叶片的主要结构特征。
Description
技术领域
本发明涉及基于机械三维零件实体特征建模与农业工程交叉技术领域，具体涉及一种基于实测参数及实体特征的舒茶早鲜叶片的建模方法。
背景技术
机械三维零件实体特征建模技术，是构建机械三维零件实体模型的基础，其主要思想是利用组成零件实体模型的基本元素，对零件进行三维模型构建，因而能较好地体现产品的功能要素，具有较强的工程含义。
植物叶片形态结构复杂，且很多结构难以参数化，例如茶树鲜叶的叶脉建模等。目前，人们大多基于3D扫描仪，采用扫描点云坐标的方法，来构建植物叶片的三维实体几何模型。虽然采用扫描点云坐标法构建的叶片模型精度较高，但操作复杂、后处理繁琐，且在叶片后续的功能型分析时，如进行叶片的生物力学特性分析，可能会因为模型导入而出现失真错误的问题，进而影响了分析的精度。由于机械零件实体特征构建的几何模型可以与功能性分析平台无缝衔接，因而可以很好地解决扫描点云坐标法产生的模型失真错误。但是，上述方法目前在叶片三维建模方面却鲜有研究报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于实测参数及实体特征的舒茶早鲜叶片的建模方法，其解决了上述背景技术提出的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于实测参数及实体特征的舒茶早鲜叶片的建模方法，包括以下步骤：
(1)舒茶早鲜叶片外形和结构特征参数的提取
选取生长期的舒茶早叶片为靶标研究对象，舒茶早鲜叶片的主要参数包括叶长、叶宽、叶厚、叶面积、叶倾角、叶脉，对各个部分的参数测量方法如下：
S1：利用数显游标卡尺测定舒茶早鲜叶片的叶长L1；
S2：利用数显游标卡尺测定舒茶早鲜叶片的叶宽L2；
S3：利用数显游标卡尺测定舒茶早鲜叶片的叶厚D；
S4：利用剪纸称重法测定舒茶早鲜叶片的叶面积S；
S5：对舒茶早鲜叶片的叶脉进行参数提取；
(2)舒茶早鲜叶片的三维实体几何模型的建立
基于SolidWorks三维建模软件平台，采用机械零件实体特征建模方法实现舒茶早茶树鲜叶的几何模型的建立，方法主要包括特征建模；舒茶早鲜叶片几何模型的建立包括叶边缘曲线的建立，主脉及侧脉的建立；在观测舒茶早茶树叶片的空间生长姿态后，对叶片设置不同的叶倾角和不同的叶面弯曲度。
优选地，所述步骤(1)中，选取4月份的舒茶早叶片为靶标研究对象。
优选地，所述步骤(1)中，叶脉包含主脉、侧脉、细脉，表现为主脉直径及长度、侧脉直径及长度。
优选地，所述步骤(1)S4中，剪纸称重法的具体步骤如下，将叶片平放在质地均匀的A4纸上，沿叶边缘描线后剪下叶片纸样，从A4上裁下10cm×10cm纸样，分别对叶片纸样和100cm2纸样的质量按照公式计算叶面积S，具体计算公式如下，S叶面积＝叶片纸样质量/100cm2纸样的质量×100。
优选地，所述步骤(1)S5中，对舒茶早鲜叶片的叶脉进行参数提取的具体步骤如下：
S501:利用数显游标卡尺测定主脉直径D1和长度L3；
S502:利用电子放大镜和数显游标卡尺测定侧脉直径D2和侧脉长度L4；
S503:利用数显游标卡尺测定主脉-侧脉交汇点与叶端的距离L3；
S504:测定主脉与侧脉之间的夹角A，将舒茶早鲜叶片图像导入至SolidWorks中，分别连接侧脉两端直线和主脉两端直线，利用智能尺寸功能获取主脉与侧脉之间的夹角。
优选地，所述步骤S502中，电子放大镜放大倍数为50倍。
优选地，所述步骤(1)中，数显游标卡尺的精度均为0.01mm。
优选地，所述步骤(2)中，叶边缘曲线、主脉及侧脉的建立方法如下：
S1：建立叶片的主脉部分，主脉部分由圆放样而成，圆直径与放样长度由上述测量参数D1和L1为准；
S2：建立叶片的叶面部分，运用NURBS样条曲线功能构建叶边缘曲线，连接叶边缘曲线与主脉边缘曲线使其成为闭合图形，运用拉伸命令伸长闭合图形，伸长长度以实测叶片厚度D为准；
S3：建立叶片的侧脉部分，舒茶早鲜叶片通常具有6到10对侧脉，每对侧脉的建模方法均相同，拉伸长度和圆直径以实测参数D2和L2为准。
优选地，所述步骤(2)中，对叶片共设置了六种叶倾角和四种叶面弯曲度，叶倾角分别为0度、5度、30度、45度、60度、75度，叶面弯曲度分别为0度、15度、30度、45度。
优选地，所述步骤(2)中，叶倾角和叶片弯曲角的设置方法如下：
S1：设置叶倾角，初始叶倾角为0度，叶面与上视基准面平行且叶脉与前视基准面垂直，旋转叶脉，调整叶脉与前视基准面角度，使其先后成15度、30度、45度、60度、75度；
S2：调整叶面弯曲角，初始叶片为完全铺展状态，叶片弯曲角为0，叶面与上视基准面平行且与右侧基准面垂直，左右两侧呈对称分布，旋转叶片两侧，调整两侧叶片与右视基准面的角度，使其先后成15度、30度、45度。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)本发明提出了一种基于实测参数及实体特征的舒茶早鲜叶片的建模方法，包含对茶树鲜叶多种参数的测量方法，借助机械三维建模软件SolidWorks平台，采用机械零件实体特征建模方法，对舒茶早鲜叶片进行参数化建模，得到的叶片模型与实际舒茶早叶片相比较，形态逼真、能准确反映叶片的具体几何性状和主要结构特征。
2)本发明基于实测参数对舒茶早茶树叶片进行实体几何建模，建立的模型能较好的还原叶片的特征，有效解决了茶叶叶片不易于参数化表示的结构建模问题，满足了茶树叶片数字化的需要，且本模型为研究农药雾滴撞击茶树叶面界面沉积机理及效应提供精确的几何模型准备。
3)本发明基于实测参数对舒茶早茶树鲜叶片进行实体特征几何建模，可有效解决目前常用扫描点云坐标法模型构建的技术瓶颈，因而能为植物叶片的功能性分析提供较为精确的三维几何模型。
附图说明
图1是本发明中基于实测参数及实体特征的舒茶早鲜叶片方法的流程图；
图2是本发明中根据实测参数创建叶边缘曲线的示意图；
图3是本发明中根据实测参数创建侧脉(包括侧脉对数，侧脉节点分布，侧脉与主脉夹角)的分布示意图；
图4是本发明中基于实测参数构建的茶早鲜叶片几何模型构建示意图。
图5是本发明中调整舒茶早茶树鲜叶片叶倾角后的建模示意图；
图6是本发明中调整舒茶早茶树叶片叶面弯曲度后的建模示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种基于实测参数及实体特征的舒茶早鲜叶片的建模方法，包括以下步骤：
(1)舒茶早鲜叶片外形和结构特征参数的提取
选取春季4月份的舒茶早叶片为靶标研究对象，舒茶早鲜叶片的主要参数包括叶长、叶宽、叶厚、叶面积、叶倾角、叶脉，其中，叶脉包含主脉、侧脉、细脉，表现为主脉直径及长度、侧脉直径及长度。对各个部分的参数测量方法如下：
S1：利用精度为0.01mm的数显游标卡尺测定舒茶早鲜叶片的叶长L1；
S2：利用精度为0.01mm的数显游标卡尺测定舒茶早鲜叶片的叶宽L2；
S3：利用精度为0.01mm的数显游标卡尺测定舒茶早鲜叶片的叶厚D；
S4：利用剪纸称重法测定舒茶早鲜叶片的叶面积S，剪纸称重法的具体步骤如下，将叶片平放在质地均匀的A4纸上，沿叶边缘描线后剪下叶片纸样，从A4上裁下10cm×10cm纸样，分别对叶片纸样和100cm2纸样的质量按照公式计算叶面积S，具体计算公式如下，S叶面积＝叶片纸样质量/100cm2纸样的质量×100；
S5：对舒茶早鲜叶片的叶脉进行参数提取，叶脉是植物叶片的重要的支撑组织，舒茶早鲜叶片叶脉呈羽状脉分布，主要分为主脉，侧脉和细脉。第一层主脉一般起源与叶根部的最宽脉络；侧脉是主脉的分支；第三层和更高层的脉络通常链接第二层，形成一个网状的模型。为实现叶脉的数字化建模，对叶脉的四个主要参数进行提取，具体步骤如下：
S501:利用精度为0.01mm的数显游标卡尺测定主脉直径D1和长度L3；
S502:利用电子放大镜和精度为0.01mm的数显游标卡尺测定侧脉直径D2和侧脉长度L4，其中，电子放大镜放大倍数为50倍，通过数显游标卡尺量取放大50倍后的侧脉直径；
S503:利用精度为0.01mm的数显游标卡尺测定主脉-侧脉交汇点与叶端的距离L3；
S504:测定主脉与侧脉之间的夹角A，将舒茶早鲜叶片图像导入至SolidWorks中，分别连接侧脉两端直线和主脉两端直线，利用智能尺寸功能获取主脉与侧脉之间的夹角；
(2)舒茶早鲜叶片的三维实体几何模型的建立
基于SolidWorks三维建模软件平台，采用机械零件实体特征建模方法实现舒茶早茶树鲜叶的几何模型的建立，方法主要包括特征建模；舒茶早鲜叶片几何模型的建立包括叶边缘曲线的建立，主脉及侧脉的建立；在观测舒茶早茶树叶片的空间生长姿态后，对叶片共设置了六种叶倾角和四种叶面弯曲度，叶倾角分别为0度、15度、30度、45度、60度、75度，叶面弯曲度分别为0度、15度、30度、45度。上述建立方法的具体步骤如下：
S1：建立叶片的主脉部分，主脉部分由圆放样而成，圆直径与放样长度由上述测量参数D1和L1为准。首先创建4个基准面和前视基准面一起构成5个基准面，基准面与前视基准面垂直且与标记点重合；分别在基准面上构建5个草图，以三维坐标原点为圆心创建圆，使用放样凸台命令对草图进行放样得到主脉；
S2：建立叶片的叶面部分，首先在上视基准面上创建草图，利用样条曲线功能创建左侧叶面叶边缘曲线，叶边缘的精度与控制点有关，控制点越多，精度越高，利用智能尺寸命令约束控制点的位置，曲线在该点处切线的角度，以及该点处的曲率半径达到更高精度的目的；使用拉伸命令将两侧叶边缘曲线两侧拉伸长度D；
S3：建立叶片的侧脉部分，实验叶片包含8对侧脉，使用扫描功能达到创建侧脉的目的。首先在上视基准面上创建草图，在草图绘制8对侧脉的路径，合计16条曲线且每条曲线与主脉相交；利用智能尺寸命令对侧脉轴端进行定位(通过侧脉轴端与主脉起始点的距离，距离通过测量已知)并且约束每条侧脉两端点连线与主脉的角度，草图创建完毕；建立基准面，每个基准面与侧脉路径垂直且与路径端点处重合；在基准面上绘制扫描轮廓，轮廓为圆状，圆心与轴端重合且直径通过测量已知；建立完毕扫描路径和扫描轮廓后进行扫描，完成对侧脉部分的创建；
S4：设置叶倾角，叶倾角是叶片腹部法线与地面的法线的夹角，同时也是叶片方向与地面方向的夹角，在建模过程中表现为主脉与右视基准面的夹角的余角。初始模型中叶脉与右视基准面垂直，叶倾角为0度，利用旋转实体功能实现叶倾角的转换，分别将叶片沿着Z轴方向旋转15度、30度、45度、60度、75度；
S5：调整叶面弯曲角，由于没有采摘的舒茶早茶树叶片的生长姿态存在一定的叶片弯曲度，因此在实体几何建模中，对弯曲度进行一定范围的修改。叶面弯曲度主要表现为叶片两侧叶面与主脉的夹角，建立一对基准面，基准面与前视基准面呈对称分布，通过基准面与前视基准面与右视基准面的变更实现叶面弯曲度的转换。初始叶面与右视基准面垂直，叶面弯曲角为0，分别设置基准面与右视基准面夹角为15度、30度、45度、60度；在基准面上建立草图，通过拉伸实现叶面的建立，方法同步骤S2相同。
以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于实测参数及实体特征的舒茶早鲜叶片的建模方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)舒茶早鲜叶片外形和结构特征参数的提取
选取生长期的舒茶早叶片为靶标研究对象，舒茶早鲜叶片的主要参数包括叶长、叶宽、叶厚、叶面积、叶倾角、叶脉，对各个部分的参数测量方法如下：
S1：利用数显游标卡尺测定舒茶早鲜叶片的叶长L1；
S2：利用数显游标卡尺测定舒茶早鲜叶片的叶宽L2；
S3：利用数显游标卡尺测定舒茶早鲜叶片的叶厚D；
S4：利用剪纸称重法测定舒茶早鲜叶片的叶面积S；
S5：对舒茶早鲜叶片的叶脉进行参数提取；
(2)舒茶早鲜叶片的三维实体几何模型的建立
基于SolidWorks三维建模软件平台，采用机械零件实体特征建模方法实现舒茶早茶树鲜叶的几何模型的建立，方法主要包括特征建模；舒茶早鲜叶片几何模型的建立包括叶边缘曲线的建立，主脉及侧脉的建立；在观测舒茶早茶树叶片的空间生长姿态后，对叶片设置不同的叶倾角和不同的叶面弯曲度。
2.根据权利要求1所述的一种基于实测参数及实体特征的舒茶早鲜叶片的建模方法，其特征在于：所述步骤(1)中，选取4月份的舒茶早叶片为靶标研究对象。
3.根据权利要求1所述的一种基于实测参数及实体特征的舒茶早鲜叶片的建模方法，其特征在于：所述步骤(1)中，叶脉包含主脉、侧脉、细脉，表现为主脉直径及长度、侧脉直径及长度。
4.根据权利要求1所述的一种基于实测参数及实体特征的舒茶早鲜叶片的建模方法，其特征在于：所述步骤(1)S4中，剪纸称重法的具体步骤如下，将叶片平放在质地均匀的A4纸上，沿叶边缘描线后剪下叶片纸样，从A4上裁下10cm×10cm纸样，分别对叶片纸样和100cm2纸样的质量按照公式计算叶面积S，具体计算公式如下，S叶面积＝叶片纸样质量/100cm2纸样的质量×100。
5.根据权利要求1所述的一种基于实测参数及实体特征的舒茶早鲜叶片的建模方法，其特征在于，所述步骤(1)S5中，对舒茶早鲜叶片的叶脉进行参数提取的具体步骤如下：
S501:利用数显游标卡尺测定主脉直径D1和长度L3；
S502:利用电子放大镜和数显游标卡尺测定侧脉直径D2和侧脉长度L4；
S503:利用数显游标卡尺测定主脉-侧脉交汇点与叶端的距离L3；
S504:测定主脉与侧脉之间的夹角A，将舒茶早鲜叶片图像导入至SolidWorks中，分别连接侧脉两端直线和主脉两端直线，利用智能尺寸功能获取主脉与侧脉之间的夹角。
6.根据权利要求5所述的一种基于实测参数及实体特征的舒茶早鲜叶片的建模方法，其特征在于：所述步骤S502中，电子放大镜放大倍数为50倍。
7.根据权利要求1或5所述的一种基于实测参数及实体特征的舒茶早鲜叶片的建模方法，其特征在于：数显游标卡尺的精度均为0.01mm。
8.根据权利要求1所述的一种基于实测参数及实体特征的舒茶早鲜叶片的建模方法，其特征在于，所述步骤(2)中，叶边缘曲线、主脉及侧脉的建立方法如下：
S1：建立叶片的主脉部分，主脉部分由圆放样而成，圆直径与放样长度由上述测量参数D1和L1为准；
S2：建立叶片的叶面部分，运用NURBS样条曲线功能构建叶边缘曲线，连接叶边缘曲线与主脉边缘曲线使其成为闭合图形，运用拉伸命令伸长闭合图形，伸长长度以实测叶片厚度D为准；
S3：建立叶片的侧脉部分，舒茶早鲜叶片通常具有6到10对侧脉，每对侧脉的建模方法均相同，拉伸长度和圆直径以实测参数D2和L2为准。
9.根据权利要求1所述的一种基于实测参数及实体特征的舒茶早鲜叶片的建模方法，其特征在于：所述步骤(2)中，对叶片共设置了六种叶倾角和四种叶面弯曲度，叶倾角分别为0度、15度、30度、45度、60度、75度，叶面弯曲度分别为0度、15度、30度、45度。
10.根据权利要求9所述的一种基于实测参数及实体特征的舒茶早鲜叶片的建模方法，其特征在于，所述步骤(2)中，叶倾角和叶片弯曲角的设置方法如下：
S1：设置叶倾角，初始叶倾角为0度，叶面与上视基准面平行且叶脉与前视基准面垂直，旋转叶脉，调整叶脉与前视基准面角度，使其先后成15度、30度、45度、60度、75度；
S2：调整叶面弯曲角，初始叶片为完全铺展状态，叶片弯曲角为0，叶面与上视基准面平行且与右侧基准面垂直，左右两侧呈对称分布，旋转叶片两侧，调整两侧叶片与右视基准面的角度，使其先后成15度、30度、45度。
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2020
- 2020-09-23 CN CN202011008589.1A patent/CN112131744A/zh active Pending
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