一种基于参数模板的玉米叶片虚拟仿真建模方法技术

本发明专利技术公开了一种基于参数模板的玉米叶片虚拟仿真建模方法，包括以下步骤：通过扫描真实玉米叶片建立玉米叶片参数化模板库，所述参数包括叶长、叶宽、叶脉曲线；根据目标建模玉米叶片的特征参数从上述的模板库中搜索与所述特征参数匹配的参数模板，所述特征参数包括目标叶长、目标叶宽、目标叶脉曲线；以所述特征参数为约束，根据相匹配的参数模板对所述目标建模玉米叶片建模。本发明专利技术的方法有效解决玉米叶片上不易于参数化表示的结构建模问题，建立的模型具有较强真实感，可满足玉米叶片数字化设计的需要。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及计算机图形学中植物对象的三维建模和虚拟农业
，特别是涉及。
技术介绍
进入二十一世纪以来，植物对象的三维形态虚拟仿真建模在计算机图形学、虚拟现实、教育、游戏娱乐等许多领域得到广泛的应用，植物对象的三维形态仿真与建模成为一个广泛研究的热点问题。 随着农业信息化技术的快速发展，新兴的虚拟现实技术在农业领域也越来越多地得到应用，虚拟农业中首要面临的问题是农林植物包括农业大田作物和园艺植物对象的虚拟建模问题，实现准确有效的植物对象的虚拟建模方法不仅可以拓展计算机图形学领域植物建模的研究内容，还能为农业科研领域提供直观的交互性操作与观察平台，对于推动现代农业信息化发展有着巨大的作用。 近年来，面向植物对象虚拟建模的研究引起了研究者较大的兴趣，关于玉米叶片、根系几何造型的研究已取得了较大成果。然而，由于植物本身所具有的复杂形态结构，特别针对难以参数化表示的复杂结构，例如玉米叶片的褶皱建模等，仍然没有有效的解决方法，这在很大程度上限制了植物对象参数化、可视化的发展。因此，针对难以参数化表示的复杂植物对象结构特征，设计实现有效的建模方法，并开发实用工具具有重要的实际意义和广阔的应用前景。 在本专利技术中，我们意在将现代计算机图形技术和农业信息化相结合，给出和原型系统，以解决植物对象中复杂结构建模问题，以及植物对象的统一参数化表示问题。
技术实现思路
( — )专利技术目的 本专利技术的目的是提供，以解决玉米叶片上不易于参数化表示的结构建模问题，建立具有较强真实感的玉米叶片模型。
技术实现思路
—种基于参数模板的玉米叶片虚拟仿真建模方法，其特征在于，包括以下步骤 Sl :通过扫描真实玉米叶片建立玉米叶片参数化模板库，所述参数包括叶长、叶宽、叶脉曲线； S2:根据目标建模玉米叶片的特征参数从S1所述的模板库中搜索与所述特征参数匹配的参数模板，所述特征参数包括目标叶长、目标叶宽、目标叶脉曲线； S3:以所述特征参数为约束，根据相匹配的参数模板对所述目标建模玉米叶片建模。其中，所述步骤Sl包括 S101 :扫描玉米叶片，建立玉米叶片点云模型； S102:然后根据点云模型，使用参数曲面插值方法建立叶片的参数曲面模型，计算所述曲面的控制点组； S103:将所述参数曲面模型作为参数化模板存入数据库形成玉米叶片参数化模板库。 其中，所述S102中参数化曲面插值为NURBS曲面插值，按如下公式进行<formula>formula see original document page 5</formula> 其中，P为计算的插值点，Vi,j为控制顶点，Wi,j为权因子，Bi,k(u)和Bj,h(w)分别为沿u向的k次和沿w向的h次B样条基函数。 其中，所述步骤S2包括 S201 :提取目标建模玉米叶片形态特征参数，对特征参数中的目标叶脉曲线建模； S202 :根据所述建模后的目标叶脉曲线在所述玉米叶片参数模板库中搜索模板叶脉曲线与所述目标叶脉曲线相匹配的模板。 其中，所述步骤S201中建模叶脉曲线采用Bezier曲线建模，公式如下 <formula>formula see original document page 5</formula> 其中，P为计算的插值点，Bi,n为Bernstein基函数，t为插值参变量，、为控制点组。 其中，所述步骤S202包括 S2021 :分别将所述目标叶脉曲线和模板叶脉曲线规范化和离散化，所述规范化是将模板叶脉曲线进行仿射变换使其与目标叶脉曲线具有相同的位置，离散化以模板叶脉曲线和目标叶脉曲线为计算依据，并确定步长，离散化后形成模板点序列和目标点序列； S2022 :对于模板点序列中任意一点M，计算目标点序列中距离M最近的点N，计算M到N的距离并作为M到目标曲线的最小距离Dm ; S2023:依次循环所有模板点序列中的点，计算目标点对应的最小距离并取平均值D，将D作为模板曲线与目标曲线的偏移量，计算模板库中所有模板的模板叶脉曲线与目标叶脉曲线的偏移量，并取偏移量最小的模板为匹配模板。 其中，所述步骤S3包括 S301 :将玉米叶片参数模板进行縮放变换，使其与目标建模玉米叶片具备相等叶宽； S302:根据变换后的模板参数曲面的控制点组将模板叶脉曲线和 目标叶脉曲线离散化为一一对应的离散点序列，离散化后形成模板参 照点序列和目标参照点序列； S303 :分别计算模板参照点序列中各点与目标参照点序列中对应点的仿射变换关系，并将模板的控制点组进行相应的仿射变换； S304:按仿射变换后的控制点组重新计算目标建模玉米叶片的参数曲面，生成目标玉米叶片的模型。(三)有益效果 本专利技术的基于参数模板的玉米叶片虚拟仿真建模方法有效解决玉米叶片上不易于参数化表示的结构建模问题，建立的模型具有较强真实感，可满足玉米叶片数字化设计的需要。附图说明 图1是根据本专利技术的基于参数模板的玉米叶片虚拟仿真建模方法流程图； 图2是根据本专利技术的基于参数模板的玉米叶片虚拟仿真建模方法的玉米叶片扫描点云模型； 图3是将图2的电点云模型重构为玉米叶片模板的参数曲面模型； 图4是根据本专利技术的基于参数模板的玉米叶片虚拟仿真建模方法的模板搜索匹配示意图。 图5是根据本专利技术的基于参数模板的玉米叶片虚拟仿真建模方法的基于参数模板的建模示意图。具体实施例方式本专利技术提出的基于参数模板的玉米叶片虚拟仿真建模方法，结合附图和实施例说明如下。 如图1所示，步骤Sl通过扫描真实玉米叶片建立玉米叶片参数化模板库，其中参数为叶长、叶宽、叶脉曲线。具体地，选取有代表性特征的玉米叶片作为模板数据源，使用FASTSCAN三维激光扫描仪扫描玉米叶片，得到叶片模板的散乱点云模型，点云模型如图2所示；根据点云模型使用参数曲面插值方法建立叶片的参数曲面模型，计算所述曲面的控制点组，优选NURBS曲面插值，选取具有NURBS曲面控制点拓扑结构的点作为参数曲面插值点，选取5X 12排插值点，计算NURBS控制点，并将叶脉曲线以步长0. 02规格离散化，离散后模板点序列包含50元素，计算公式如下，其中P为计算的插值点，Vi,j为控制顶点，Wi,j为权因子，Bi,k(u)和Bj,h(w)分别为沿u向的k次和沿w向的h次B样条基函数，参数曲面模型如图3所示；l;iXk(u).Bj,h(w)n<formula>formula see original document page 6</formula> 将插值好的参数曲面模型作为参数化模板存入数据库形成玉米叶片参数化模板库。 步骤S2根据目标建模玉米叶片(待建模的玉米叶片)的特征参数从步骤Sl的参数模板库中搜索与所述特征参数匹配的参数模板，所述特征参数包括目标叶长、目标叶宽和目标叶脉曲线。具体地，提取作为建模目标的玉米叶片形态特征参数，对特征参数中的目标叶脉曲线建模，优选Bezier曲线建模，并以步长规格0. 02离散化，得到目标点序列含50元素，Bezier算法如下式所示，其中P为计算的插值点，B为Bernstein基函数，t为插值参变量，V为控制点组。公式如下P(f) = !>,, (OA ^ 以目标叶片的叶脉曲线，即目标叶脉曲线作为模板搜索匹本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于参数模板的玉米叶片虚拟仿真建模方法，其特征在于，包括以下步骤：Ｓ１：通过扫描真实玉米叶片建立玉米叶片参数化模板库，所述参数包括叶长、叶宽、叶脉曲线；Ｓ２：根据目标建模玉米叶片的特征参数从Ｓ１所述的模板库中搜索与所述特征参数匹配的参数模板，所述特征参数包括目标叶长、目标叶宽、目标叶脉曲线；Ｓ３：以所述特征参数为约束，根据相匹配的参数模板对所述目标建模玉米叶片建模。

【技术特征摘要】
一种基于参数模板的玉米叶片虚拟仿真建模方法，其特征在于，包括以下步骤S1通过扫描真实玉米叶片建立玉米叶片参数化模板库，所述参数包括叶长、叶宽、叶脉曲线；S2根据目标建模玉米叶片的特征参数从S1所述的模板库中搜索与所述特征参数匹配的参数模板，所述特征参数包括目标叶长、目标叶宽、目标叶脉曲线；S3以所述特征参数为约束，根据相匹配的参数模板对所述目标建模玉米叶片建模。2. 如权利要求1所述的基于参数模板的玉米叶片虚拟仿真建模方法，其特征在于，所 述步骤SI包括S101 :扫描玉米叶片，建立玉米叶片点云模型；S102:然后根据点云模型，使用参数曲面插值方法建立叶片的参数曲面模型，计算所述 曲面的控制点组；S103 :将所述参数曲面模型作为参数化模板存入数据库形成玉米叶片参数化模板库。3. 如权利要求2所述的基于参数模板的玉米叶片虚拟仿真建模方法，其特征在于，所 述S102中参数化曲面插值为NURBS曲面插值，按如下公式进行<formula>formula see original document page 2</formula>其中，P为计算的插值点，Vi,j为控制顶点，Wi,j为权因子，Bi,k(u)和Bj,h(w)分别为沿u 向的k次和沿w向的h次B样条基函数。4. 如权利要求1所述的基于参数模板的玉米叶片虚拟仿真建模方法，其特征在于，所 述步骤S2包括5201 :提取目标建模玉米叶片形态特征参数，对特征参数中的目标叶脉曲线建模；5202 :根据所述建模后的目标叶脉曲线在所述玉米叶片参数模板库中搜索模板叶脉曲 线与所述目标叶脉曲线相匹配的模板。5. 如权利要求4所述的基于...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖伯祥，郭新宇，赵春江，温维亮，陆声链，
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]