基于手绘的三维可打印实体鲜花自由造型方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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，本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
基于以上描述，本专利技术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，为此本专利技术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。本专利技术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专利技术进一步说明。图1是本专利技术的整个造型流程图。图2是本专利技术的预定义的四种基本花序类型结构图。图3是本专利技术的花序结构图的可编辑几何参数以及可编辑区域图。图4是本专利技术的嫁接手势生成的复合花序结构图。图5是本专利技术的将三维茎的一笔画创建和编辑方法图。图6是本专利技术的将三维茎映射到花序的方法图。图7是本专利技术的花朵结构图和可编辑区域图。图8是本专利技术的三维雄蕊的两笔画创建和编辑方法图。图9是本专利技术的三维雌蕊的两笔画创建和编辑方法图。图10是本专利技术的三维花瓣的两笔画创建和编辑方法图。图11是本专利技术的三维花瓣的空间编辑方法图。图12是本专利技术的将三维雄蕊、雌蕊、花瓣映射到花朵结构图生成的三维花朵。图13是本专利技术的将三维花朵、茎映射到花序结构图生成的三维鲜花图。图14是本专利技术的利用层次细节技术生成的三维鲜花图。图15是本专利技术的花瓣膨胀算法生成的实体花瓣。图16是本专利技术的利用切割平面和约束德洛奈实现的茎-茎合并。图17是本专利技术的利用切割平面和约束德洛奈实现的雄蕊合并。图18是本专利技术的利用雄蕊、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是本专利技术的利用茎-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专利技术作进一步详细的说明。这些附图均为实际操作示意图，从而显示与本专利技术有关的构成。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，本专利技术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，本专利技术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，本专利技术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，本专利技术提供了图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。因此本专利技术提供给用户一种直观、合理的编辑手段，本专利技术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，本专利技术提供了映射手势，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，本专利技术的花序结构采用含有父节点的二叉树实现。如图5所示，本专利技术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，本专利技术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，本专利技术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。本专利技术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，雄蕊相对本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁展，
申请(专利权)人：金陵科技学院，
类型：发明
国别省市：江苏;32