一种冰雹撞击植物叶片过程的模拟方法技术

本发明专利技术公开了一种冰雹撞击植物叶片过程的模拟方法，包括步骤：采用三角形面片描述方式给定冰雹、植物叶片的结构模型；给定冰雹形状、质量、下落位置后，冰雹开始下落；通过包围球代表冰雹的方式进行冰雹与植物叶片之间的碰撞检测，其中：若检测到冰雹碰撞植物叶片的顶层模型，则模拟植物叶片的撕裂运动，然后冰雹继续下落，结束模拟；反之，重复执行此步骤。本发明专利技术很好地实现了对冰雹撞击植物叶片全过程的真实动态模拟。

【技术实现步骤摘要】
一种冰雹撞击植物叶片过程的模拟方法
本专利技术涉及一种模拟冰雹撞击植物叶片过程的方法，属于模拟物体间碰撞发生撕裂过程的

技术介绍
物体撕裂破碎动画在虚拟现实中起着举足轻重的作用，它的应用涉及到许多重要的领域，比如动画、广告、游戏、计算机辅助设计等。在物体撕裂破碎动画中，布料的撕裂是图形学中的热点研究课题之一，截止目前，对于布料撕裂的研究主要集中在不同材质的布料在撕裂时不同撕裂强度的体现以及布料的动态滑动模拟。经过几年的发展，布料撕裂过程的模拟已成果显著。冰雹作为一种常见的发生于夏季的自然现象，是一种严重的自然灾害，其对作物和树木是极具破坏性的，因此，模拟冰雹与植物叶片的交互过程具有一定的研究价值。然而，目前业界所研究的物体是具有弹性或黏性的非刚性物体，而叶片与布料相比，其弹性和柔韧性要低一些，冰雹又较为坚硬且弹性很小，属于典型的刚性物体，由此可见，植物叶片被冰雹撕裂的过程研究，是目前急需解决的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种冰雹撞击植物叶片过程的模拟方法，其实现了对冰雹撞击植物叶片全过程的真实动态模拟。为了实现上述目的，本专利技术采用了以下技术方案：一种冰雹撞击植物叶片过程的模拟方法，其特征在于，它包括如下步骤：1)采用三角形面片描述方式给定冰雹、植物叶片的结构模型，其中：植物叶片的结构模型分为顶层模型和底层模型；2)给定冰雹形状、质量、下落位置后，冰雹开始下落；3)通过包围球代表冰雹的方式进行冰雹与植物叶片之间的碰撞检测，其中：若检测到冰雹碰撞植物叶片的顶层模型，则进入4)；反之，则重复执行3)；4)模拟植物叶片的撕裂运动，其中：获得植物叶片顶面的运动轨迹，并采用植物叶片的顶层模型带动底层模型联动的方式，获得植物叶片底面的运动轨迹，从而实现植物叶片整体运动的模拟；5)冰雹继续下落，结束模拟。本专利技术的优点是：本专利技术基于应用物理学原理开辟了一种与布料破碎模拟不同的领域，实现了对冰雹撞击植物叶片全过程的真实动态模拟，具体地说是模拟冰雹破坏单片叶片结构的整个过程，而不是模拟在冰雹灾害下的整片树林或农作物，冰雹撞击植物叶片后的作用效果仿真得真实可靠，在一定程度上还原了冰雹自然灾害的情景，且为进一步研究叶脉对叶片受力影响提供了可靠的科学依据。附图说明图1是本专利技术的实施流程图。图2是植物叶片顶层模型的示意图。图3是植物叶片的叶脉结构示意图。图4是改进型质点-弹簧模型的说明示意图。图5是包围球示意图。图6a、图6b是三角形面片的中心计算说明图。图7a是冰雹出现在植物叶片上方的示意图。图7b是冰雹撞击植物叶片后产生裂口的示意图。图7c是植物叶片的叶脉带动裂口扩大的示意图。图7d是裂口稳定后的示意图。具体实施方式经过对叶片撕裂和冰雹场景调研，本专利技术将冰雹撞击植物叶片的过程归结为以下三个方面：第一，冰雹的随机出现和下落。在自然界中，冰雹的生成是随机的，因此冰雹的大小和重量也各不相同。第二，冰雹接触并造成叶片的撕裂。冰雹受到地球吸引落下，当冰雹撞击叶片时，两者进行能量的传递，冰雹自身的速度所带来的撞击力在叶片上转换成横向和纵向的弹簧力，从而撕扯叶片的原本结构，弹簧力沿叶脉走向分散，叶片产生裂口。第三，冰雹继续下落。如图1，本专利技术冰雹撞击植物叶片过程的模拟方法包括如下步骤：1)采用三角形面片描述方式给定冰雹、植物叶片的结构模型，其中：植物叶片的结构模型分为顶层模型和底层模型，顶层模型代表叶片顶面，底层模型代表叶片底面(即叶片背面)；2)给定冰雹形状、质量、下落位置(下落位置包括下落高度、冰雹与植物叶片的相对位置)后，冰雹开始下落；3)通过包围球代表冰雹的方式进行冰雹与植物叶片之间的碰撞检测，其中：若检测到冰雹碰撞植物叶片的顶层模型，则进入4)；反之，若没有检测到冰雹碰撞植物叶片的顶层模型，则重复执行3)；4)模拟植物叶片的撕裂运动，其中：获得植物叶片顶面的运动轨迹，并采用植物叶片的顶层模型带动底层模型联动的方式，获得植物叶片底面的运动轨迹，从而实现植物叶片整体运动的模拟；5)冰雹继续下落，结束模拟。在实际执行步骤3)时，若冰雹的下落高度低于植物叶片的底层模型最低点所在高度时仍没有检测到冰雹碰撞植物叶片的顶层模型，则表示冰雹没有与植物叶片接触而直接落下，直接进入步骤5)。在本专利技术中，给定冰雹、植物叶片的结构模型为三维模型，并采用三角形面片的描述方式来定义冰雹、植物叶片的外表面，其中，植物叶片因具有一定厚度，故将其划分为顶层模型和底层模型两部分。进一步地，提取植物叶片顶面10上除去叶柄和叶尖的部分构建顶层模型，如图2所示，这是因为叶柄、叶尖在自然情况下很难被冰雹撕裂，所以不做碰撞检测。在本专利技术中，设定植物叶片的叶脉为直出平行脉，本专利技术将叶脉选定为直出平行脉的原因是，直出平行脉指叶片的中脉和侧脉，中脉和侧脉都自叶片基部发出，彼此平行，直达叶端，如水稻、小麦、麦冬等植物的叶，重要的是，裂口的产生，即撕裂运动会沿着叶脉的走向进行，本专利技术的撕裂运动模拟便是基于此特点设计的。进一步地，如图3，叶脉13两侧沿叶脉走向连续设有若干三角形面片12的边，叶脉13两侧各自连续的三角形面片12的边相距一极小的设定距离形成叶脉13，即叶脉13两侧相对应的两个三角形面片12的边在叶脉位置上相距一个很小的设定距离，此设定距离形成叶脉13，如图3所示。在本专利技术中，如图2、图4，顶层模型中的三角形面片12的三个顶点定义为质点21，位于顶层模型外边缘上的质点21定义为固定点11，与叶脉13邻近的质点21定义为叶脉点15，其余质点21定义为非固定点14。植物叶片的顶层模型如图2所示，底层模型不用除去其上叶柄和叶尖的部分构建，底层模型、冰雹的结构模型可参考图2来理解。在本专利技术中，使用三角形面片来描述结构模型，是本领域的已有技术。由于植物叶片比冰雹大，故植物叶片不采用包围盒方式，又鉴于冰雹的形状不规则且接近于球形，故采用包围球方式。在本专利技术中，设定冰雹垂直下落，不涉及旋转等问题，故将冰雹的下半部分距冰雹中心的最大距离定义为包围球的半径r，包围球的球心为O，从而建立用于碰撞检测的三维包围球，如图5所示。在步骤3)中，冰雹与植物叶片之间的碰撞检测包括步骤：3-1)计算代表冰雹的包围球的球心O与植物叶片的顶层模型中的各三角形面片的中心C之间的距离；3-2)若存在小于等于包围球半径r的距离，则认为冰雹与植物叶片的顶面发生碰撞，反之，则认为冰雹与植物叶片的顶面没有发生碰撞。在步骤3)中，当进行冰雹与植物叶片之间的碰撞检测时，应防止冰雹没有与植物叶片顶面发生碰撞时出现冰雹贯穿植物叶片的现象，包括步骤：a)若顶层模型的各三角形面片的中心C与包围球的球心O之间的距离都大于包围球的半径r，但顶层模型上的至少一个三角形面片12上的至少一个顶点(P1或P2或P3)与包围球的球心O之间的距离小于包围球的半径r，则表示冰雹没有与植物叶片顶面发生碰撞但出现了冰雹贯穿植物叶片的现象，进入b)；b)调整植物叶片的顶面模型，令顶面模型上处于包围球内的三角形面片12的顶点移至包围球外或与包围球球面相交。当然，在实际实施中，植物叶片的调整方式还有其它形式，并不局限于此，如何调整植物叶片来防止冰雹没有与植物叶片顶面发生碰撞时出现冰雹贯穿植物叶片的现象，是本领域的熟知技术，故不在这里本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种冰雹撞击植物叶片过程的模拟方法，其特征在于，它包括如下步骤：1)采用三角形面片描述方式给定冰雹、植物叶片的结构模型，其中：植物叶片的结构模型分为顶层模型和底层模型；2)给定冰雹形状、质量、下落位置后，冰雹开始下落；3)通过包围球代表冰雹的方式进行冰雹与植物叶片之间的碰撞检测，其中：若检测到冰雹碰撞植物叶片的顶层模型，则进入4)；反之，则重复执行3)；4)模拟植物叶片的撕裂运动，其中：获得植物叶片顶面的运动轨迹，并采用植物叶片的顶层模型带动底层模型联动的方式，获得植物叶片底面的运动轨迹，从而实现植物叶片整体运动的模拟；5)冰雹继续下落，结束模拟。

【技术特征摘要】
1.一种冰雹撞击植物叶片过程的模拟方法，其特征在于，它包括如下步骤：1)采用三角形面片描述方式给定冰雹、植物叶片的结构模型，其中：植物叶片的结构模型分为顶层模型和底层模型；2)给定冰雹形状、质量、下落位置后，冰雹开始下落；3)通过包围球代表冰雹的方式进行冰雹与植物叶片之间的碰撞检测，其中：若检测到冰雹碰撞植物叶片的顶层模型，则进入4)；反之，则重复执行3)；4)模拟植物叶片的撕裂运动，其中：获得植物叶片顶面的运动轨迹，并采用植物叶片的顶层模型带动底层模型联动的方式，获得植物叶片底面的运动轨迹，从而实现植物叶片整体运动的模拟；5)冰雹继续下落，结束模拟。2.如权利要求1所述的冰雹撞击植物叶片过程的模拟方法，其特征在于：在执行所述步骤3)时，若冰雹的下落高度低于植物叶片的所述底层模型最低点所在高度时仍没有检测到冰雹碰撞植物叶片的所述顶层模型，则直接进入所述步骤5)。3.如权利要求1或2所述的冰雹撞击植物叶片过程的模拟方法，其特征在于：提取植物叶片顶面上除去叶柄和叶尖的部分构建所述顶层模型；设定植物叶片的叶脉为直出平行脉，叶脉两侧沿叶脉走向连续设有若干三角形面片的边，叶脉两侧各自连续的三角形面片的边相距一设定距离形成叶脉；所述顶层模型中的三角形面片的三个顶点定义为质点，位于所述顶层模型外边缘上的质点定义为固定点，与叶脉邻近的质点定义为叶脉点，其余质点定义为非固定点；将冰雹的下半部分距冰雹中心的最大距离定义为包围球的半径r。4.如权利要求3所述的冰雹撞击植物叶片过程的模拟方法，其特征在于：在所述步骤3)中，冰雹与植物叶片之间的碰撞检测包括步骤：3-1)计算代表冰雹的所述包围球的球心O与植物叶片的所述顶层模型中的各三角形面片的中心C之间的距离；3-2)若存在小于等于所述包围球半径r的距离，则认为冰雹与植物叶片的顶面发生碰撞，反之，则认为冰雹与植物叶片的顶面没有发生碰撞。5.如权利要求4所述的冰雹撞击植物叶片过程的模拟方法，其特征在于：在所述步骤3)中，当进行冰雹与植物叶片之间的碰撞检测时，防止冰雹没有与植物叶片顶面发生碰撞时出现冰雹贯穿植物叶片的现象，包括步骤：a)若所述顶层模型的各三角形面片的中心C与所述包围球的球心O之间的距离都大于所述包围球的半径r，但所述顶层模型上的至少一个三角形面片上的至少一个顶点与所述包围球的球心O之间的距离小于所述包围球的半径r，则表示冰雹没有与植物叶片顶面发生碰撞但出现了冰雹贯穿植物叶片的现象，进入b)；b)调整植物叶片的所述顶面模型，令所述顶面模型上处于所述包围球内的三角形面片的顶点移至所述包围球外或与所述包围球球面相交。6.如权利要求3所述的冰雹撞击植物叶片过程的模拟方法，其特征在于：在所述步骤4)中，获得植物叶片顶面...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨猛，谢佳翊，梁婉茹，崔亚婷，祁晓彬，
申请(专利权)人：北京林业大学，
类型：发明
国别省市：北京,11