專利名稱：一種基于球b樣條的植物葉片建模方法
技術領域：
本發明涉及計算機圖形學技術領域，特別涉及一種基于球B樣條的植物葉片建模 方法。
背景技術：
農業是中國國民經濟的基礎。農業信息化是本世紀農業發展的重要標志，也是農 業現代化的重要組成部分。在農業信息化實施過程中，農業通過信息化可以獲得倍增效益。 信息業可以通過對農業的信息軟硬件服務形成農業信息產業，最終形成農業與信息業雙贏 的良好局面。現代農業在農業生產、流通等各個環節都離不開信息服務，農業信息已經涉及 到了農業生產、流通的方方面面，加之信息本身的增效作用，使得農業信息服務的各環節都 會有效益產生。隨著農業信息化技術的快速發展，新興的虛擬現實技術在農業領域也越來越多地 得到應用，特別值得一提的是，虛擬農業已經成為我國農業發展的一個重要趨勢，虛擬農業 不但可以將農業作物數字化，而且還能夠為科研者提供方便的交互性操作與觀察等，對于 推動農業發展有著巨大的作用。近年來，隨著計算機硬件性能的不斷提高以及虛擬植物建模、景觀設計、游戲等領 域的研究不斷深入，獲得高度真實的植物造型成為可能和必需，同時，植物形態的多樣性也 吸引了諸多的研究者。正是由于植物葉片具有復雜的生理特征、幾何形態和光學特性，因此 植物葉片的形態建模和可視化仍然是真實感自然景物模擬中最具挑戰的工作之一。在計算機圖形學中，通常用雙三次曲面對單個葉面建模。為達到一定的真實感，有 研究者通過對葉片模型進行紋理貼圖或用光照材質等方法來增加模型的視覺效果，但這些 方法往往具有一定的限制，或只能在一定距離處，或只能在一定的視角范圍內才具有較好 的效果。雖然目前一些方法在虛擬植物模型或計算機視覺研究中得到了應用，但由于大部 分方法都針對特定的植物，因此都不可避免地存在推廣性的問題，即這些方法都很難適用 于其他植物葉片的形態建模。因此，研究一種適合于多數植物葉片的精細建模方法非常有 必要。另一方面，葉脈作為葉片的主要組成部分，不僅對葉片起到了形態支撐的作用，而且 也是植物中水分和光合作用產物等物質運輸的通道，因此，對葉脈進行細致的模擬也有著 重要的意義。
發明內容
(一)要解決的技術問題本發明要解決的技術問題是建立具有較高真實感的植物葉片三維模型。( 二 )技術方案為解決上述技術問題，本發明采用如下技術方案一種基于球B樣條的植物葉片建模方法，包括以下步驟Sl 對待建模葉片進行葉脈分析，選取待建模葉脈；
S2 測量葉片三維形態信息，所述葉片三維形態信息包括待建模葉脈上至少測 量4個特征點位置信息、所述特征點對應的厚度信息和葉邊緣特征點的位置信息；S3 根據所述步驟S2中葉片三維形態信息采用插值型球B樣條進行葉脈建模，插 值型球B樣條公式如下
<formula>formula see original document page 4</formula>控制球的球心Pi為所述葉脈特征點的位置，控制球的直徑2ri為所述葉脈對應特 征點處的葉脈厚度，逐條葉脈建模完成后，將所有葉脈模型拼接起來，得到整個葉片的葉脈 模型，其中，Ut)為ρ次B樣條基函數，t為參數，i為求和下標，η為基函數個數；S4 根據所述葉片三維形態信息利用B樣條曲面進行葉面建模，得到葉面模型，所 述曲面邊界限制在葉邊緣，B樣條曲面公式如下
<formula>formula see original document page 4</formula>S5:將所述葉脈模型與所述葉面模型的特征點位置重合，得到完整的葉片三維模 型，其中，Niik(U)為k次B樣條基函數，i，j為求和下標，m，η分別為兩組B樣條基函數的 個數，u，w為參數，Pij為葉脈和葉邊緣特征點位置。其中，所述步驟Sl中選取的待建模葉脈為主葉脈和次級葉脈，或相對葉片具有3 倍以上厚度的葉脈，所述主葉脈為長在葉柄上的葉脈，所述次級葉脈為長在主葉脈上的葉 脈。其中，所述步驟S2包括測量前在葉片上選好測量點；對所述測量點進行標記；利用三維數字化儀或三維掃描儀逐個測量所述標記的測量點，將所述測量點作為 葉片的特征點。(三)有益效果本發明的基于球B樣條的植物葉片建模方法為植物葉片的精細幾何建模提供一 種靈活的方法，能夠以一種相同的描述方法來生成具有明顯葉脈特征的植物葉片三維模 型；該方法具有實時性，可與參數化植物建模相關聯，生成的植物葉片三維模型具有較高的 真實感。
圖1為本發明的一種基于球B樣條的植物葉片建模方法的流程圖；圖2為本發明針對某一葉片所確定的葉脈示例圖；圖3為本發明實施例對煙草葉片的標記示例圖；圖4為本發明實施例所構造的煙草葉脈模型；圖5為本發明實施例所構造的煙草葉片模型；圖6為本發明實施例所構造的精細煙草葉片三維模型；圖7為應用本發明實施例所構造的煙草葉片模型來構造的煙草植株三維模型。
具體實施例方式本發明提出的基于球B樣條的植物葉片建模方法，結合附圖和實施例說明如下。如圖1所示，本發明的基于球B樣條的植物葉片建模方法，包括以下步驟步驟Si，對待建模葉片進行葉脈分析，選取待建模葉脈。其中，植物的葉片脈序一般分為網狀脈與平行脈兩種基本類型，但其葉脈都可以按照生長位置進行分級，次級葉脈 的生長點位于上一級葉脈上，如圖2所示。待建模葉脈選取主葉脈和次級葉脈，或相對葉片 具有一定厚度的葉脈，優選為葉片厚度的3倍以上厚度的葉脈。其中，主葉脈為長在葉柄上 的葉脈，次級葉脈為長在主葉脈上的葉脈。步驟S2，測量葉片主要三維形態信息，測量前在葉片上選好測量點，對所述測量點 進行標記，在不損壞葉片的情況下，利用三維數字化儀或三維掃描儀逐個測量所述標記的 測量點，將所述測量點作為葉片的特征點。其中，三維形態信息包括待建模葉脈上測量的 特征點位置信息、所述特征點對應的厚度信息和葉邊緣特征點的位置信息。根據葉脈形態 的復雜程度，每條葉脈上至少測量4個特征點位置信息。步驟S3，根據所述葉片三維形態信息利用球B樣條對逐條葉脈進行建模，所采用 的插值型球B樣條公式如下
η<B>{f) = hp{t) <Pt ； η> = l,2...n, t e
；
i=0 ‘插值時控制球的球心Pi為所述葉脈特征點的位置，控制球的直徑為所述葉脈 對應特征點處的葉脈厚度，逐條葉脈建模完成后，將所有葉脈模型拼接起來，得到整個葉片 的葉脈模型，其中，Ni,p (t)為ρ次B樣條基函數，t為參數，i為求和下標，η為基函數個數；步驟S4，根據所述葉片三維形態信息利用B樣條曲面進行葉面建模，得到葉面模 型，插值時，以葉脈特征點和葉邊緣點為插值點，曲面邊界限制在葉邊緣，B樣條曲面公式如 下<formula>formula see original document page 5</formula>步驟S5，將所述葉脈模型與所述葉面模型的特征點位置重合，得到完整的葉片三 維模型，其中，Niik(U)為k次B樣條基函數，i，j為求和下標，m，η分別為兩組B樣條基函 數的個數，u, w為參數，Pij為葉脈和葉邊緣特征點位置。實施例1下面以煙草葉片為實施例進行進一步說明，具體步驟如下根據步驟Sl，對待建模煙草葉片進行葉脈分析，選取待建模的葉脈。煙草葉脈主要 由一條主葉脈和若干條一級次葉脈構成，考慮到煙草葉片的厚度關系，不對二級以下葉脈 進行建模。根據步驟S2，在煙草葉片上選取葉脈測量點和葉邊緣測量點，對預測量點進行標 記，如圖3，借助于FASTSCAN手持式三維掃描儀，測量標記點的位置信息，用游標卡尺測量 葉脈標記點的厚度值，將測量信息按照一定格式存入規定格式的模板文件中。這些測量點 作為煙草葉脈和葉邊緣的特征點。根據步驟S3，讀取模板文件中的葉脈特征點數據(位置和厚度)，采用插值型球B樣條對煙草葉脈進行建模，球B樣條公式如下
<formula>formula see original document page 6</formula>記一條煙草葉脈上的特征點分別為Pp Pp P2、P3,相應特征點處的厚度分別為2r。、 2ri、2r2、2r3，根據特征點位置，可求得3次插值型B樣條基函數NciJt)，Nlj3 (t)，N2,3(t)，N3, 3(t)(樣條曲線相關書中都有)，將參數PQ，P1, P2, P3和rQ，ri; r2, r3以及4個基函數代入到 球B樣條公式中即可得到煙草葉脈模型。在插值時，球的球心Pi為葉脈特征點的位置，控 制球的直徑2ri為對應葉脈特征點處的葉脈厚度，逐條葉脈建模完成后，將其拼接起來，得 到整個煙草葉片的葉脈模型，建模后的煙草葉脈模型如圖4所示。根據步驟S4,讀取模板文件中的葉脈特征點和葉面特征點數據，以葉脈特征點和 葉邊緣點為插值點，葉邊緣為邊界，根據以下B樣條曲面公式得到到煙草葉面模型，如圖5 所示。
<formula>formula see original document page 6</formula>在插值時，將mXn個控制頂點(特征點作為控制頂點)Pij (i =0,1, . . . , m ； j = 0,1, ...，η)寫成mXn階矩陣形式，利用每一行的控制頂點可求取一個以u為參數的B樣 條基函數Ni, k(u)，共得到m個；利用每一列的控制頂點可求取一個以w為參數的B樣條基 函數 ，l(w)，共得到η個；將得到的基函數與控制頂點代入公式中，即可得到煙草葉面模型。根據步驟S5，得到了煙草葉面模型及煙草葉脈模型后，將模型中共同的特征點位 置重合，合成得到具有較高真實感的煙草葉片三維模型，如圖6所示。圖7給出了利用此方 法構造的煙草某時期的植株模型。本發明可以廣泛的用于其它不同植物葉片的建模。以上實施方式僅用于說明本發明，而并非對本發明的限制，有關技術領域的普通 技術人員，在不脫離本發明的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變化和變型，因此所有 等同的技術方案也屬于本發明的范疇，本發明的專利保護范圍應由權利要求限定。
權利要求
一種基于球B樣條的植物葉片建模方法，其特征在于，包括以下步驟S1對待建模葉片進行葉脈分析，選取待建模葉脈；S2測量葉片三維形態信息，所述葉片三維形態信息包括待建模葉脈上至少測量4個特征點位置信息、所述特征點對應的厚度信息和葉邊緣特征點的位置信息；S3根據所述步驟S2中葉片三維形態信息采用插值型球B樣條進行葉脈建模，插值型球B樣條公式如下 <mrow><mo><</mo><mi>B</mi><mo>></mo><mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><munderover> <mi>Σ</mi> <mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>0</mn> </mrow> <mi>n</mi></munderover><msub> <mi>N</mi> <mrow><mi>i</mi><mo>,</mo><mi>p</mi> </mrow></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo></mrow><mo><</mo><msub> <mi>P</mi> <mi>i</mi></msub><mo>;</mo><msub> <mi>r</mi> <mi>i</mi></msub><mo>></mo> </mrow>i＝1，2...n，t∈
插值時，控制球的球心Pi為所述葉脈特征點的位置，控制球的直徑2ri為所述葉脈對應特征點處的葉脈厚度，逐條葉脈建模完成后，將所有葉脈模型拼接起來，得到整個葉片的葉脈模型，其中，Ni，p(t)為p次B樣條基函數，t為參數，i為求和下標，n為基函數個數；S4根據所述葉片三維形態信息采用插值型B樣條曲面進行葉面建模，得到葉面模型，插值時以葉脈特征點和葉邊緣點為插值點，曲面邊界限制在葉邊緣，B樣條曲面公式如下 <mrow><mi>P</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>u</mi> <mo>,</mo> <mi>w</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><munderover> <mi>Σ</mi> <mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>0</mn> </mrow> <mi>m</mi></munderover><munderover> <mi>Σ</mi> <mrow><mi>j</mi><mo>=</mo><mn>0</mn> </mrow> <mi>n</mi></munderover><msub> <mi>N</mi> <mrow><mi>i</mi><mo>,</mo><mi>k</mi> </mrow></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>u</mi> <mo>)</mo></mrow><msub> <mi>N</mi> <mrow><mi>j</mi><mo>,</mo><mi>l</mi> </mrow></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>w</mi> <mo>)</mo></mrow><msub> <mi>P</mi> <mi>ij</mi></msub><mo>;</mo> </mrow>S5將所述葉脈模型與所述葉面模型的特征點位置重合，得到完整的葉片三維模型，其中，Ni，k(u)為k次B樣條基函數，i，j為求和下標，m，n分別為兩組B樣條基函數的個數，u，w為參數，Pij為葉脈和葉邊緣特征點位置。
2.如權利要求1所述的基于球B樣條的植物葉片建模方法，其特征在于，所述步驟S1 中選取的待建模葉脈為主葉脈和次級葉脈，或相對葉片具有3倍以上厚度的葉脈，所述主 葉脈為長在葉柄上的葉脈，所述次級葉脈為長在主葉脈上的葉脈。
3.如權利要求1所述的基于球B樣條的植物葉片建模方法，其特征在于，所述步驟S2 包括測量前在葉片上選好測量點；對所述測量點進行標記；利用三維數字化儀或三維掃描儀逐個測量所述標記的測量點，將所述測量點作為葉片 的特征點。
全文摘要
本發明公開了一種基于球B樣條的植物葉片建模方法，包括對待建模葉片進行葉脈分析，選取待建模葉脈；測量葉片三維形態信息，所述葉片三維形態信息包括待建模葉脈上至少測量4個特征點位置信息、所述特征點對應的厚度信息和葉邊緣特征點的位置信息；根據所述葉片三維形態信息采用插值型球B樣條進行葉脈建模；根據所述葉片三維形態信息采用插值型B樣條曲面進行葉面建模；將所述葉脈模型與所述葉面模型的特征點位置重合，得到完整的葉片三維模型。本發明的方法具有實時性，可與參數化植物建模相關聯，生成的植物葉片三維模型具有較高的真實感。
文檔編號G06T17/00GK101833787SQ20101014740
公開日2010年9月15日 申請日期2010年4月13日 優先權日2010年4月13日
發明者溫維亮, 肖伯祥, 趙春江, 郭新宇, 陸聲鏈 申請人:北京農業信息技術研究中心