植物叶片三维模型几何描述和曲面重建方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种植物叶片三维模型几何描述和曲面重建系统，所述系统包括：叶片骨架的表示和生成模块，利用样条曲线表示叶片的主脉和边缘轮廓，形成叶片的骨架结构；叶片曲面的网格化模块，用于对所述叶片的骨架结构中主脉线和两条轮廓线包围的部分进行网格化，形成叶片的网格化几何曲面；叶片曲面的自适应细分模块，用于对所述叶片的网格化几何曲面进行光滑处理。本发明专利技术还公开了一种植物叶片三维模型几何描述和曲面重建方法。本发明专利技术能够以一种相同的描述方法来生成各种植物叶片的几何形态而且所建立的叶片模型不仅在视觉上真实，而且能够满足模拟叶片动态生长和某些生理功能的需要。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及计算机图形学
，特别是涉及 一 种植物叶片三维模型几何描述和曲面重建方法及系统。
技术介绍
近年来，随着计算机硬件性能的不断提高以及虛拟植物建模、景观设计、游戏等领域的研究不断深入，获得高度真实的植物造型成为可能和必需，同时，植物形态的多样性也吸引了诸多的研究者。正是由于植物叶片具有复杂的生理特征、几何形态和光学特性，因此植物叶片的形态建模和可视化仍然是真实感自然景物模拟中最具挑战的工作之一。在计算机图形学中，通常用双三次曲面对单个叶面建模。但釆用双三次曲面建模的一个问题在于单个曲面仅通过少数几个控制点来控制生成图形的形状，难以用来拟合复杂的曲面，特别是有多个裂片的叶子，很难用少数几个曲面拟合。为此，有研究者提出了一种专门针对有裂片的植物叶子的建模方法，他们通过叶片的数字图像生成叶片的网格曲面，并釆用变换、旋转等方法产生3维真实感的效果。也有研究者通过轮廓线、轴线和弧度定义一个叶片，使用户可交互地对叶片进行调整，以生成各种叶片造型，但这种方法主要适用于边缘不带裂片的叶子。为了得到数值上"正确"的叶片造型，现有技术的一种叶片曲面拟合方法通过数学方法拟合真实叶片的三维数据点云来重构叶片的曲面。对一棵植物而言，整棵植物有几百甚至上千上万个叶片，各个叶片的形状都不尽相同，要构造或重建数值上"正确"的叶片就需要获取所有叶片的三维数据点，这在实际应用中是难以做到的，因此这种方法只适合于需要对单个叶片进行高度真实重建的场合。上述方法在一些虛拟植物模型或计算机视觉研究中得到了应用， 但由于大部分方法都针对特定的植物，因此都不可避免地存在推广性 的问题，即这些方法都很难适用于其他植物叶片的形态建模，特别是 具有复杂形态叶子的建模。虽然实际应用中可以做简化处理，但细致 真实的叶片形态无疑更有助于描述植物的品种特征。同时，大部分现 有的方法都只是考虑了叶片在正常生长条件下的形态模型，而对叶片 在高温、失水或病虫害等条件下的卷曲、萎缩等形态进行模拟仍然很 少涉及。无疑，细致的叶面模型能够更好地支持对植物叶子这些细节 变化行为进行可视化模拟的需要。
技术实现思路
本专利技术要解决的问题是提供一种植物叶片三维模型几何描述和 曲面重建方法及系统，以克服现有技术中很难以 一种相同的描述方法 来生成各种植物叶片的几何形态的缺陷。为达到上述目的，本专利技术的技术方案提供 一种植物叶片三维模型几何描述和曲面重建系统，所述系统包括叶片骨架的表示和生成模块，利用样条曲线表示叶片的主脉和边缘轮廓，形成叶片的骨架结构；叶片曲面的网格化模块，用于对所述叶片的骨架结构中主脉线和两条轮廓线包围的部分进行网格化，形成叶片的网格化几何曲面；叶片曲 面的自适应细分模块，用于对所述叶片的网格化几何曲面进行光滑处 理。优选地，所述叶片骨架的表示和生成模块包括特征点获取子模 块，用于获取表示叶片骨架的样条曲线上的特征点；样条曲线拟合子 模块，用于通过所述特征点获取子模块获取的特征点拟合出样条曲 线，构成叶片的骨架表示。优选地，所述特征点包括主脉特征点、左边缘特征点和右边缘特 征点。优选地，所述叶片曲面的网格化模块包括参数设置子模块，用于设置进行曲面网格化时网格单元的边长；网格化子模块，用于根据 所述网格单元的边长从表示叶片骨架的样条曲线上取得一系列有序的空间坐标点，并根据所述有序的空间坐标点获取叶片曲面的三角形 网格表示。优选地，所述叶片曲面的自适应细分模块包括顶点平坦度定义 子模块，用于对三角形网格中某个顶点与其周围顶点的平滑程度提供一个数值的量化指标；域值设置子模块，用于设定在进行网格细分过程中，两个相邻的三角形之间的夹角的最小容忍度和顶点平坦度域值，及细分时的循环深度或细分精度；网格初步细分子模块，用于根 据所述域值设置子模块设置的最小容忍度，对叶片曲面网格中的每个 网格单元进行细分操作；顶点调整子模块，用于对一次初步细分网格 进行光滑处理。本专利技术的技术方案还提供一种植物叶片三维模型几何描述和曲 面重建方法，所述方法包括以下步骤si,利用样条曲线表示叶片的 主脉和边缘轮廓，形成叶片的骨架结构；S2，对所述叶片的骨架结构 中主脉线和两条轮廓线包围的部分进行网格化，形成叶片的网格化几 何曲面；S3，对所述叶片的网格化几何曲面进行光滑处理。优选地，所述步骤S1具体包括Sll，利用数字化仪、边缘提取 算法或经验模型取得植物叶子主脉和边缘上的空间特征点；S12,通 过所述空间特征点拟合出样条曲线，构成叶片的骨架表示。优选地，所述空间特征点包括主脉特征点、左边缘特征点和右边 缘特征点，在步骤S12中，具体包括利用主脉特征点作为一条B 样条曲线的控制点，形成主脉线；利用左边缘特征点作为一条B样条 曲线的控制点，形成左边缘线；利用右边缘特征点作为一条B样条曲 线的控制点，形成右边缘线；其中左边缘线和右边缘线的首尾都与主 脉线的首尾重合。优选地，所述步骤S2具体包括S21，设置进行曲面网格化时网8格单元的边长；S22，根据所述网格单元的边长从表示叶片骨架的样 条曲线上取得一系列有序的空间坐标点；S23，从所述有序的空间点 上应用Delaunay三角化方法，获得叶片曲面的三角形网格表示。优选地，所述步骤S3具体包括S31，对叶片曲面网格中的每个 网格单元按Lo叩细分规则进行细分，对每个三角形的每条边，若该 条边为另一个三角形的共享边，首先检查这两个三角形的夹角，如夹 角小于用户设置的域值，则在该条边的中点生成一个新的顶点；S32， 对网格中所有的边处理一遍之后，根据新生成点，重新设置三角形顶 点与边的关系，形成一次初步细分网格；S33，对初步细分网格中的 每个顶点v,计算其平坦度，若该顶点的平坦度小于用户设定的阈值， 则重新调整顶点v的坐标；S34,重复以上步骤，直到达到指定的循 环深度或细分精度。优选地，在所述步骤S33中，根据公式"(1 — +获取顶点v调整后的坐标，并所述坐标对该顶点的空间坐标进行调 整；其中，A:为顶点v的阶，根据公式<formula>formula see original document page 9</formula>获取A的取值。与现有技术相比，本专利技术的技术方案具有如下优点 本专利技术为植物叶片的精确几何建模提供一种灵活的方法和系统， 能够以一种相同的描述方法来生成各种植物叶片的几何形态。而且所 建立的叶片模型不仅在视觉上真实，而且能够满足模拟叶片动态生长 和某些生理功能的需要，如光截面面积、光合作用产生的干物质数量 等的计算，以及叶片曲面几何变形的可视化模拟等。附图说明图1为本专利技术的 一种植物叶片三维模型几何描述和曲面重建方法的流程图2为本专利技术的一个黄瓜叶片的骨架结构图3为本专利技术的黄瓜叶片的网格化曲面图4为本专利技术的三角形分裂示意图5本专利技术的黄瓜叶片1次细分后的网格图6为本专利技术的黄瓜叶片3次细分后的网格图7为本专利技术的对图6所示的网格进行渲染的结果图8为本专利技术的 一个针状橡树叶片的骨架结构图;图9为本专利技术的针状橡树叶片3次细分后的网格图。具体实施例方式下面结合附图和实施例，对本专利技术的具体实施方式作进一步详细 描述。以下实施例用于说明本专利技术，但不用来限制本专利技术的范围。本专利技术的一种植物叶片三维模型几何描述和曲本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种植物叶片三维模型几何描述和曲面重建系统，其特征在于，所述系统包括：　叶片骨架的表示和生成模块，利用样条曲线表示叶片的主脉和边缘轮廓，形成叶片的骨架结构；　叶片曲面的网格化模块，用于对所述叶片的骨架结构中主脉线和两条轮廓线包围的部分进 行网格化，形成叶片的网格化几何曲面；　叶片曲面的自适应细分模块，用于对所述叶片的网格化几何曲面进行光滑处理。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陆声链，赵春江，郭新宇，温维亮，肖伯祥，
申请(专利权)人：北京农业信息技术研究中心，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]