專利名稱：三維植物器官幾何曲面自適應(yīng)網(wǎng)格化方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中的三維建模技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及植物 幾何造型建模方法和三維模型網(wǎng)格簡化技術(shù)。
背景技術(shù)：
自然景物的模擬是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的一個(gè)主要的分支。植物形態(tài)的 多樣性和不規(guī)則性使得利用計(jì)算機(jī)生成逼真的植物模型是一個(gè)巨大
的挑戰(zhàn)。目前，三維植物建模的目的主要來自兩個(gè)方面 一是植物生
長和發(fā)展過程的模擬和可視化；二是植物場景的真實(shí)感繪制，即創(chuàng)造
視覺上令人滿意的植物形態(tài)。這兩者都涉及到三維植物模型的實(shí)時(shí)繪 制問題，即在保證一定真實(shí)感的基礎(chǔ)上要求繪制時(shí)間越短越好。這在 大規(guī)模植物生長模擬、電腦游戲、軍事仿真、飛行器模擬等方面都有 廣泛的應(yīng)用需求。
植物形態(tài)建模的開創(chuàng)性工作由美國學(xué)者Lindenmayer提出，他提
出了L-System---個(gè)描述植物拓樸結(jié)構(gòu)的通用方法。隨后，Smith
和Prusinkiewicz等人為L-System的完善和普及做了大量的工作，并開 發(fā)了 一個(gè)基于L-System的三維植物建模軟件L-studio。 L-studio以器官 為單位，能夠生成各種植物的三維模型，每個(gè)器官都用三角形網(wǎng)格表 示。其后，為了滿足景觀設(shè)計(jì)、游戲等領(lǐng)域?qū)Ρ普娴闹参锬Ｐ偷男枰?德國Lintermann等人提出了基于組件式的三維植物結(jié)構(gòu)交互式設(shè)計(jì)的 概念，開發(fā)了Xfrog軟件。在Xfrog軟件中，每個(gè)植物器官都是一個(gè)組 件，植物的拓樸結(jié)構(gòu)和形態(tài)則通過組合器官組件構(gòu)成，在最終生成的 植物模型中，每個(gè)器官也是用三角形網(wǎng)格表示。類似的軟件工具還包 括OnyxTree等。在這些軟件中，每個(gè)器官的網(wǎng)格曲面都是用規(guī)則的 網(wǎng)格化方法生成，而沒有考慮到網(wǎng)格面元的冗余和網(wǎng)格簡化問題，這導(dǎo)致植物模型的面元個(gè)數(shù)都很大，影響繪制和計(jì)算的速度。
此外，許多學(xué)者也研究了各種植物器官的高精度三維曲面建模方 法，如參數(shù)化的植物器官建模方法、基于圖像或基于點(diǎn)云技術(shù)的植物 三維模型重建方法等，但在這些方法中，也都是考慮重構(gòu)的植物模型 的準(zhǔn)確性和真實(shí)感，而不考慮植物模型曲面網(wǎng)格的冗余問題。
近年來，部分研究者開展了三維植物網(wǎng)格模型的簡化技術(shù)研究。
We b er根據(jù)樹木的遠(yuǎn)近對(duì)樹木的網(wǎng)格模型進(jìn)行簡化，但這些方法中， 遠(yuǎn)處樹木簡化后顏色過于單一，造成繪制結(jié)果細(xì)節(jié)模糊。后來又出現(xiàn) 了很多其它的簡化算法，如頂點(diǎn)精簡、邊塌陷、頂點(diǎn)聚類等，但由于 樹木特殊的屬性，這些算法通?？梢杂糜跇涓傻暮喕?，對(duì)于樹葉部分, 則會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤的結(jié)果。Remolar在2002年提出了幾種簡化算法，通過 迭代地用一個(gè)新的葉子代替原來的兩片葉子，不斷減少用于表示樹葉 的多邊形的數(shù)目，同時(shí)保持樹冠的外形。但這類方法繪制效率很低， 而且只適合闊葉類樹葉的簡化，在簡化針葉類植物時(shí)，不能忠實(shí)地保 持它們的物種特征。我國也有學(xué)者在這方面進(jìn)行了研究，他們提出的 方法是重復(fù)地把兩個(gè)葉片合并為一個(gè)大的葉片，這使得原有的葉片位 置和形狀得以保留。這種方法產(chǎn)生的實(shí)際結(jié)果滿足了遠(yuǎn)近察看的需 要，但繪制效率不高。其后，他們又提出了一個(gè)更通用的葉片簡化算 法，首先為每片葉片都賦予一個(gè)密度值，用于調(diào)節(jié)對(duì)應(yīng)的葉片的簡化 誤差，使得密度越大時(shí)簡化誤差越小。
值得注意的是，上述植物網(wǎng)格模型簡化方法都是在生成植物網(wǎng)格 模型后進(jìn)行的，即獨(dú)立于植物網(wǎng)格模型的生成過程。這樣雖然具有不 依賴于植物模型生成的特點(diǎn)，但其缺點(diǎn)也是十分明顯的 一是計(jì)算效 率不高，由于整個(gè)植物模型的規(guī)模往往較大，簡化過程需要在整個(gè)植 物模型中進(jìn)行全局搜索，算法對(duì)內(nèi)存和CPU的需求都很大；二是難以 保持不同器官的細(xì)節(jié)特征，在三維植物模型中，不同器官的形態(tài)的差 異可能很大，因此一般都用不同的網(wǎng)格化方法生成，由于這些后處理方法不考慮各個(gè)器官網(wǎng)格扭面的生成過程，也難以判斷每個(gè)網(wǎng)格面元隸屬于哪種器官，因此網(wǎng)格簡化過程缺乏針對(duì)性，往往會(huì)丟失器官曲面的細(xì)節(jié)特征。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，為三維植物幾何模型的曲面生成和網(wǎng)格簡化提供一種靈活、普適的方法。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了 一種三維植物器官幾何曲面自適
應(yīng)網(wǎng)格化方法，包括以下步驟
Sl,按照植物器官的外形特征對(duì)植物器官進(jìn)行分類，并建立各個(gè)植物器官的骨架模型；
S2，針對(duì)不同的植物器官類型，設(shè)置對(duì)器官幾何曲面進(jìn)行網(wǎng)格化時(shí)需要用到的參數(shù)；
S3,針對(duì)不同的植物器官類型，根據(jù)所設(shè)置的參數(shù)，對(duì)器官幾何曲面進(jìn)行自適應(yīng)網(wǎng)格化。
其中，步驟S3包括點(diǎn)集生成步驟和網(wǎng)格化步驟，點(diǎn)集生成步驟是根據(jù)步驟S2中設(shè)置的參數(shù)計(jì)算得到構(gòu)成器官幾何曲面的點(diǎn)云集合；網(wǎng)格化步驟是從生成的點(diǎn)云集合中構(gòu)建出器官幾何曲面的多邊形模型。
其中，在步驟S1中，可以將植物器官分為三類
軸骨架器官，表示具有圓柱體形狀的器官；
半輪廓-軸骨架器官，包括一根軸線和一根邊緣線，表示具有對(duì)稱結(jié)構(gòu)的橢圓體器官；和
全輪廓-軸骨架器官，包括一根軸線和兩根邊緣線，表示具有不規(guī)則邊緣的薄片狀器官。
在步驟S1的建立各個(gè)植物器官的骨架模型的過程中，用B樣條曲線表示植物器官的骨架中的軸線和邊緣線。
其中，步驟S2具體可以為對(duì)于軸骨架器官，將參數(shù)設(shè)置為包括器官上下橫截面的半徑、橫截面網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)以及在長度方向上進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)用來指導(dǎo)點(diǎn)集生成的參數(shù)；
對(duì)于半輪廓-軸骨架器官，將參數(shù)設(shè)置為包括橫截面網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)
以及在長度方向上進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)用來指導(dǎo)點(diǎn)集生成的參數(shù)；
對(duì)于全輪廓-軸骨架器官，將參數(shù)設(shè)置為在長度方向上進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)用來指導(dǎo)點(diǎn)集生成的參數(shù)。
其中，在長度方向上進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)用來指導(dǎo)點(diǎn)集生成的參數(shù)包
括最小劃分長度M和段間最大夾角。其中，點(diǎn)集生成步驟具體可以為
對(duì)于軸骨架器官，根據(jù)最小劃分長度M對(duì)軸線進(jìn)行等分預(yù)分割，
然后再根據(jù)段間最大夾角對(duì)分割后的線段進(jìn)行檢測，檢測完所有分割點(diǎn)分割得到的線段，保留下來的分割點(diǎn)用來生成構(gòu)成器官幾何曲面的
點(diǎn)云集合；其中軸線用B樣條曲線表示；其中，"生成構(gòu)成軸骨架器官的器官幾何曲面的點(diǎn)云集合"的步驟具體為為了由軸線生成器官的外圍曲面點(diǎn)集，對(duì)于保留下來的每個(gè)分割點(diǎn)，根據(jù)所設(shè)置的參數(shù)橫截面的半徑和橫截面網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)N，在分割點(diǎn)上通過橫截面的半徑按垂直于軸線方向依次繞軸線旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，得到該橫截面邊緣輪廓線上的N個(gè)空間點(diǎn)，這樣就構(gòu)成了軸骨架器官的器官幾何曲面的點(diǎn)云集合；
對(duì)于半輪廓-軸骨架器官，根據(jù)最小劃分長度M對(duì)邊緣線進(jìn)行等分預(yù)分割，然后再根據(jù)段間最大夾角對(duì)分割后的線段進(jìn)行檢測，檢測完所有分割點(diǎn)分割得到的線段，保留下來的分割點(diǎn)用來生成構(gòu)成器官幾何曲面的點(diǎn)云集合；其中邊緣線用B樣條曲線表示；其中，"生成
構(gòu)成半輪廓-軸骨架器官的器官幾何曲面的點(diǎn)云集合"的步驟具體為為了由邊緣線生成器官的外圍曲面點(diǎn)集，對(duì)于保留下來的每個(gè)分割點(diǎn)，根據(jù)所設(shè)置的橫截面網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)N,在分割點(diǎn)上按垂直于軸線方向依次繞軸線旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，得到該橫截面邊緣輪廓線上的N個(gè)空間點(diǎn)，這樣就構(gòu)成了半輪廓-軸骨架器官的器官幾何曲面的點(diǎn)云集合;
對(duì)于全輪廓-軸骨架器官，首先將該骨架分成左右兩個(gè)部分，每個(gè)部分都用兩根B樣條曲線圍成 一個(gè)封閉的多邊形，對(duì)于每個(gè)封閉的
多邊形，首先按最小劃分長度M對(duì)B樣條曲線進(jìn)行等分預(yù)分割，然
后再根據(jù)段間最大夾角對(duì)分割后的線段進(jìn)行檢測，對(duì)左右兩個(gè)封閉的多邊形進(jìn)行檢測后，保留下來的分割點(diǎn)點(diǎn)集即為全輪廓-軸骨架器官的器官幾何曲面的點(diǎn)云集合。
其中，"根據(jù)參數(shù)段間最大夾角對(duì)分割后的線段進(jìn)行檢測"的步
驟具體可以為
將B樣條曲線分成為最小劃分長度M指定長度的等分線段，記錄每個(gè)分割點(diǎn)的坐標(biāo)，然后從B樣條曲線的一個(gè)端點(diǎn)開始，根據(jù)段間最大夾角對(duì)相鄰的兩個(gè)線段進(jìn)行檢測若第一、二條線段的夾角大于段間最大夾角，則將這兩條線段中間的那個(gè)分割點(diǎn)坐標(biāo)刪除，即將該分割點(diǎn)左右的兩條線段合并，合并后的線段與下一條線段再進(jìn)行檢測；若第一、二條線段的夾角小于或等于段間最大夾角，則將檢測的線段下移一位，即檢測第二、第三條線段；如此循環(huán)，直到檢測完所
有分割點(diǎn)分割得到的線段，保留下來的分割點(diǎn)用來生成構(gòu)成這類器官
的器官幾何曲面的點(diǎn)云集合；
其中，網(wǎng)格化步驟具體可以為
對(duì)于軸骨架器官和半輪廓-軸骨架器官，對(duì)相鄰兩個(gè)分割點(diǎn)計(jì)算得到的兩組空間點(diǎn)進(jìn)行網(wǎng)格連接，形成器官外形輪廓的三角形網(wǎng)格曲
面；
對(duì)于全輪廓-軸骨架器官，釆用Delaunay三角化算法實(shí)現(xiàn)三維空間中不規(guī)則多邊形的三角化。
其中，"釆用Delaunay三角化算法實(shí)現(xiàn)三維空間中不規(guī)則多邊形的三角化"的步驟具體為在三角化的過程中，對(duì)于全輪廓-軸骨架器官的左右兩個(gè)部分，從每個(gè)部分計(jì)算得到的點(diǎn)云集合組成了一個(gè)閉
合的多邊形，對(duì)該多邊形進(jìn)行Delaunay三角化即可生成該部分曲面的多邊形模型。
本發(fā)明還提供了 一種三維植物器官幾何曲面自適應(yīng)網(wǎng)格化系統(tǒng)，其包括
骨架表示模塊，用于按照植物器官的外形特征對(duì)植物器官進(jìn)行分類，并建立各個(gè)植物器官的骨架模型；
參數(shù)定義模塊，用于針對(duì)不同的植物器官類型，設(shè)置對(duì)器官幾何曲面進(jìn)行網(wǎng)格化時(shí)需要用到的參數(shù)；以及
器官幾何曲面自適應(yīng)網(wǎng)格化模塊，用于針對(duì)不同的植物器官類
型，根據(jù)所設(shè)置的參數(shù)，對(duì)器官幾何曲面進(jìn)行自適應(yīng)網(wǎng)格化；
其中，器官幾何曲面自適應(yīng)網(wǎng)格化模塊包括點(diǎn)集生成模塊和網(wǎng)格化模塊，點(diǎn)集生成模塊用于根據(jù)參數(shù)定義模塊設(shè)置的參數(shù)計(jì)算得到構(gòu)
成器官幾何曲面的點(diǎn)云集合；網(wǎng)格化模塊用于從生成的點(diǎn)云集合中構(gòu)建出器官幾何曲面的多邊形模型。
上述技術(shù)方案通過將一種通用三維植物器官自適應(yīng)網(wǎng)格化的方法融入三維植物模型的構(gòu)建中，使得本方法能夠按照不同的應(yīng)用需求，選擇生成不同網(wǎng)格規(guī)模、不同分辨率的植物幾何網(wǎng)格曲面，以滿足進(jìn)行大規(guī)模植物生長可視化模擬、植物冠層光分布計(jì)算、三維植物場景實(shí)時(shí)繪制等應(yīng)用的需求。因此，本發(fā)明的方法應(yīng)用面廣、靈活、普適性強(qiáng)，而且，實(shí)驗(yàn)證明，應(yīng)用本發(fā)明的方法能夠極大地減少三維植物模型曲面網(wǎng)格的面元個(gè)數(shù)，這對(duì)植物模型的實(shí)時(shí)繪制、光分布計(jì)算和其它生理功能模擬都是十分有用的。


圖i是本發(fā)明實(shí)施例的自適應(yīng)網(wǎng)格化方法流程圖；圖2是本發(fā)明實(shí)施例的自適應(yīng)網(wǎng)格化方法中的三類骨架模型示意
圖；圖3是本發(fā)明實(shí)施例的軸骨架類器官曲面的自適應(yīng)網(wǎng)格化過程示意圖4是對(duì)軸骨架類器官曲面應(yīng)用常規(guī)網(wǎng)格化與應(yīng)用本發(fā)明實(shí)施例的自適應(yīng)網(wǎng)格化方法的結(jié)果對(duì)比以及在不同參數(shù)條件下的結(jié)果示意
圖5是對(duì)全輪廓-軸骨架類器官曲面應(yīng)用常規(guī)網(wǎng)格化與應(yīng)用本發(fā)
明的自適應(yīng)網(wǎng)格化方法的結(jié)果對(duì)比示意圖6是將本發(fā)明的方法應(yīng)用于整棵植物幾何造型生成后得到的結(jié)果示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。
在圖2和圖3中，圖2中的(a)為軸骨架及其變形、(b)為半輪廓—軸骨架及其變形、(c)為全輪廓一軸骨架其變形；圖2中的(a)為骨架模型、(b)為預(yù)分割點(diǎn)、(c)為自適應(yīng)檢測后保留的點(diǎn)、(d)為曲面點(diǎn)集、(e)為網(wǎng)格化模型。
如圖1至圖6所示，依照本實(shí)施例的三維植物器官幾何曲面自適應(yīng)網(wǎng)格化方法，其包括以下步驟
51, 按照植物器官的外形特征對(duì)植物器官進(jìn)行分類，并建立各個(gè)植物器官的骨架模型；
52, 針對(duì)不同的植物器官類型，設(shè)置對(duì)器官幾何曲面進(jìn)行網(wǎng)格化時(shí)需要用到的參數(shù)；
S3，針對(duì)不同的植物器官類型，對(duì)器官幾何曲面進(jìn)行自適應(yīng)網(wǎng)格化。
其中，步驟S3包括點(diǎn)集生成步驟和網(wǎng)格化步驟，點(diǎn)集生成步驟是根據(jù)步驟S2中設(shè)置的參數(shù)計(jì)算得到構(gòu)成器官幾何曲面的點(diǎn)云集合；網(wǎng)格化步驟是從生成的點(diǎn)云集合中構(gòu)建出器官幾何曲面的多邊形模型。
本實(shí)施例中，在步驟S1中，可以將植物器官分為三類
軸骨架器官(見圖1 (a)左邊的圖形)，表示具有圓柱體形狀的
器官，如莖、葉柄、卷須等；
半輪廓-軸骨架器官(見圖1 (b)左邊的圖形)，包括一根軸線和
一根邊緣線，表示具有對(duì)稱結(jié)構(gòu)的橢圓體器官，如果實(shí)；和
全輪廓-軸骨架器官(見圖1 (c)左邊的圖形)，包括一根軸線和
兩根邊緣線，表示具有不規(guī)則邊緣的薄片狀器官，如葉片和花瓣。
在"建立各個(gè)植物器官的骨架模型"的步驟中，用B樣條曲線表 示植物器官的骨架中的軸線和邊緣線，這是由于B樣條曲線的控制點(diǎn) 個(gè)數(shù)可以任意設(shè)置，且可以容易地構(gòu)造過控制點(diǎn)的樣條曲線，具有靈 活、易于控制等特點(diǎn)，因此非常適合于描述植物器官形態(tài)多變的外形 輪廓(如圖1的(a)、 (b)和(c)中左邊的圖形)。這樣，要建立某 個(gè)特定器官的骨架模型，實(shí)際上就是確定骨架模型上每條B樣條曲線 的特征點(diǎn)。這些特征點(diǎn)可以通過三維數(shù)字化儀從田間或溫室生長的植 物器官上獲取，也可以通過特征提取的方法從拍攝的包含植物器官的 圖像中獲得，或者利用輸入?yún)?shù)自動(dòng)生成。
本實(shí)施例中，步驟S2具體可以為
對(duì)于軸骨架器官，其幾何形狀的一個(gè)共同特點(diǎn)是它們的橫截面近 似于橢圓(見圖2 (e))將參數(shù)設(shè)置為包括器官上下橫截面的半徑、 橫截面網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)以及在長度方向上進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)用來指導(dǎo)點(diǎn)集 生成的參數(shù)；
對(duì)于半輪廓-軸骨架器官，將參數(shù)設(shè)置為包括橫截面網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù) 以及在長度方向上進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)用來指導(dǎo)點(diǎn)集生成的參數(shù)，由于 該類器官的橫截面半徑已隱含給出，因此不需要提供"橫截面半徑" 這個(gè)參數(shù)；
對(duì)于全輪廓-軸骨架器官，將參數(shù)設(shè)置為在長度方向上進(jìn)行網(wǎng)格
13劃分時(shí)用來指導(dǎo)點(diǎn)集生成的參數(shù)。
"在長度方向上進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)用來指導(dǎo)點(diǎn)集生成的參數(shù)"為最 小劃分長度和段間最大夾角。
本實(shí)施例中，點(diǎn)集生成步驟具體可以為
對(duì)于軸骨架器官，根據(jù)參數(shù)"最小劃分長度"對(duì)軸線進(jìn)行等分預(yù) 分割，然后再根據(jù)參數(shù)"段間最大夾角"對(duì)分割后的線段進(jìn)行檢測， 檢測完所有分割點(diǎn)分割得到的線段，保留下來的分割點(diǎn)用來生成構(gòu)成
器官幾何曲面的點(diǎn)云集合；其中軸線用B樣條曲線表示；其中，"生 成構(gòu)成軸骨架器官的器官幾何曲面的點(diǎn)云集合"的步驟具體為為了 由軸線生成器官的外圍曲面點(diǎn)集，對(duì)于保留下來的每個(gè)分割點(diǎn)，根據(jù) 所設(shè)置的參數(shù)"橫截面的半徑"和"橫截面網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)"，在分割點(diǎn) 上通過橫截面的半徑按垂直于軸線方向依次繞軸線旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，得 到該橫截面邊緣輪廓線上的"橫截面網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)"個(gè)空間點(diǎn)，這樣就 構(gòu)成了軸骨架器官的器官幾何曲面的點(diǎn)云集合(見圖2 (d));
對(duì)于半輪廓-軸骨架器官，根據(jù)參數(shù)"最小劃分長度"對(duì)邊緣線 進(jìn)行等分預(yù)分割，然后再根據(jù)參數(shù)"段間最大夾角"對(duì)分割后的線段 進(jìn)行檢測，檢測完所有分割點(diǎn)分割得到的線段，保留下來的分割點(diǎn)用 來生成構(gòu)成器官幾何曲面的點(diǎn)云集合；其中邊緣線用B樣條曲線表 示；其中，"生成構(gòu)成半輪廓-軸骨架器官的器官幾何曲面的點(diǎn)云集合" 的步驟具體為為了由邊緣線生成器官的外圍曲面點(diǎn)集，對(duì)于保留下
來的每個(gè)分割點(diǎn)，根據(jù)所設(shè)置的參數(shù)"橫截面網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)"，在分割 點(diǎn)上按垂直于軸線方向依次繞軸線旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，得到該橫截面邊緣 輪廓線上的"橫截面網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)"個(gè)空間點(diǎn)，這樣就構(gòu)成了半輪廓-軸骨架器官的器官幾何曲面的點(diǎn)云集合；
對(duì)于全輪廓-軸骨架器官，首先將該骨架分成左右兩個(gè)部分，每 個(gè)部分都用兩根B樣條曲線圍成一個(gè)封閉的多邊形，對(duì)于每個(gè)封閉的 多邊形，首先按參數(shù)"最小劃分長度"對(duì)B樣條曲線進(jìn)行等分預(yù)分割，
14然后再根據(jù)參數(shù)"段間最大夾角"對(duì)分割后的線段進(jìn)行檢測，對(duì)左右 兩個(gè)封閉的多邊形進(jìn)行檢測后，保留下來的分割點(diǎn)點(diǎn)集即為全輪廓-軸骨架器官的器官幾何曲面的點(diǎn)云集合。
本實(shí)施例中，"根據(jù)參數(shù)'段間最大夾角，對(duì)分割后的線段進(jìn)行 檢測"的步驟具體可以為
以軸骨架器官為例，如圖2所示，將B樣條曲線表示的軸線分成
為參數(shù)"最小劃分長度"指定長度的等分線段，記錄每個(gè)分割點(diǎn)的坐
標(biāo)(見圖2 (b))，然后從軸線的一個(gè)端點(diǎn)開始，根據(jù)參數(shù)"段間最
大夾角"對(duì)相鄰的兩個(gè)線段進(jìn)行檢測若第一、二條線段的夾角大于 "段間最大夾角"，則將這兩條線段中間的那個(gè)分割點(diǎn)坐標(biāo)刪除，即 將該分割點(diǎn)左右的兩條線段合并，合并后的線段與下一條線段(第三
線段)再進(jìn)行檢測；若第一、二條線段的夾角小于或等于"段間最大 夾角"，則將檢測的線段下移一位，即檢測第二、第三條線段；如此
循環(huán)，直到檢測完所有分割點(diǎn)分割得到的線段，保留下來的分割點(diǎn)(見
圖2 (c))用來生成構(gòu)成這類器官的器官幾何曲面的點(diǎn)云集合；
本實(shí)施例中，網(wǎng)格化步驟具體可以為 對(duì)于軸骨架器官和半輪廓-軸骨架器官，對(duì)相鄰兩個(gè)分割點(diǎn)計(jì)算 得到的兩組空間點(diǎn)進(jìn)行網(wǎng)格(三角形)連接，形成器官外形輪廓的三
角形網(wǎng)格曲面(見圖2 (e));
對(duì)于全輪廓-軸骨架器官，釆用Ddaimay三角化算法實(shí)現(xiàn)三維空 間中不規(guī)則多邊形的三角化。
"采用Delaunay三角化算法實(shí)現(xiàn)三維空間中不規(guī)則多邊形的三 角化，，的步驟具體為在三角化的過程中，對(duì)于全輪廓-軸骨架器官 的左右兩個(gè)部分，從每個(gè)部分計(jì)算得到的點(diǎn)云集合組成了一個(gè)閉合的 多邊形，對(duì)該多邊形進(jìn)行Delaunay三角化即可生成該部分曲面的多 邊形模型。如圖4(b)即為本自適應(yīng)網(wǎng)格化方法和Ddaunay三角化 方法對(duì)全輪廓-軸骨架類器官曲面進(jìn)行網(wǎng)格化的結(jié)果。本發(fā)明還提供了 一種三維植物器官幾何曲面自適應(yīng)網(wǎng)格化系統(tǒng)， 其包括
骨架表示模塊，用于按照植物器官的外形特征對(duì)植物器官進(jìn)行分 類，并建立各個(gè)植物器官的骨架模型；
參數(shù)定義模塊，用于針對(duì)不同的植物器官類型，設(shè)置對(duì)器官幾何 曲面進(jìn)行網(wǎng)格化時(shí)需要用到的參數(shù)；以及
器官幾何曲面自適應(yīng)網(wǎng)格化模塊，用于針對(duì)不同的植物器官類
型，對(duì)器官幾何曲面進(jìn)行自適應(yīng)網(wǎng)格化；
其中，器官幾何曲面自適應(yīng)網(wǎng)格化模塊包括點(diǎn)集生成模塊和網(wǎng)格 化模塊，點(diǎn)集生成模塊用于根據(jù)參數(shù)定義模塊設(shè)置的參數(shù)計(jì)算得到構(gòu)
成器官幾何曲面的點(diǎn)云集合；網(wǎng)格化模塊用于從生成的點(diǎn)云集合中構(gòu) 建出器官幾何曲面的多邊形模型。
為了說明本發(fā)明的有效性，進(jìn)行了如下幾組實(shí)驗(yàn)
圖3是對(duì)軸骨架類器官曲面進(jìn)行常規(guī)網(wǎng)格化與應(yīng)用本發(fā)明的自 適應(yīng)網(wǎng)格化方法的對(duì)比及不同參數(shù)條件下的結(jié)果示意圖。其中，(a) 為常規(guī)網(wǎng)格化方法得到的網(wǎng)格曲面，共有560個(gè)三角形；(b)、 (c)、 (d) 均為應(yīng)用本發(fā)明的自適應(yīng)方法得到的曲面，其中(b)的"段間最大夾角" 參數(shù)設(shè)置為175，共160個(gè)三角形；(c)的段間最大夾角設(shè)為170，共 80個(gè)三角形；(d)的段間最大夾角設(shè)為160,共30個(gè)三角形。由此可 見，應(yīng)用本發(fā)明對(duì)器官進(jìn)行網(wǎng)格化時(shí)，可根據(jù)不同的需要，生成不同 分辨率的網(wǎng)格曲面模型。
圖4是對(duì)全輪廓-軸骨架類器官(圖中為一種西瓜的葉片)曲面 應(yīng)用常規(guī)網(wǎng)格化與應(yīng)用本發(fā)明的自適應(yīng)網(wǎng)格化方法得到的網(wǎng)格曲面 的對(duì)比結(jié)果。其中，(a)為常規(guī)網(wǎng)格化方法得到的曲面，共316個(gè)三角 形；(b)為自適應(yīng)方法得到的曲面，共138個(gè)三角形。
圖5為將本發(fā)明的方法應(yīng)用于整棵植物幾何造型生成后得到的 結(jié)果，其中(a)為使用本發(fā)明方法前得到的植株幾何模型，共有13406個(gè)三角形，(b)為釆用本發(fā)明的自適應(yīng)網(wǎng)格化方法后的植株模型，三角
形個(gè)數(shù)減少到了 6325個(gè)。
由此可見，應(yīng)用本發(fā)明后，能夠極大地減少三維植物模型曲面網(wǎng) 格的面元個(gè)數(shù)，這對(duì)植物模型的實(shí)時(shí)繪制、光分布計(jì)算和其它生理功 能模擬都是十分有用的。
由以上實(shí)施例可以看出，本發(fā)明的實(shí)施例通過三維植物器官自適 應(yīng)網(wǎng)格化的方法融入三維植物模型的構(gòu)建中，使得本方法能夠按照不 同的應(yīng)用需求，選擇生成不同網(wǎng)格規(guī)模、不同分辨率的植物幾何網(wǎng)格 曲面，以滿足進(jìn)行大規(guī)模植物生長可視化模擬、植物冠層光分布計(jì)算、 三維植物場景實(shí)時(shí)繪制等應(yīng)用的需求。因此，本發(fā)明的方法應(yīng)用面廣、 靈活、普適性強(qiáng)，而且，實(shí)驗(yàn)證明，應(yīng)用本發(fā)明的方法能夠極大地減 少三維植物模型曲面網(wǎng)格的面元個(gè)數(shù)，這對(duì)植物模型的實(shí)時(shí)繪制、光 分布計(jì)算和其它生理功能模擬都是十分有用的。
以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng) 域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以 做出若干改進(jìn)和變型，這些改進(jìn)和變型也屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1、一種三維植物器官幾何曲面自適應(yīng)網(wǎng)格化方法，其包括以下步驟S1，按照植物器官的外形特征對(duì)所述植物器官進(jìn)行分類，并建立各個(gè)植物器官的骨架模型；S2，針對(duì)不同的植物器官類型，設(shè)置對(duì)器官幾何曲面進(jìn)行網(wǎng)格化時(shí)需要用到的參數(shù)；S3，針對(duì)不同的植物器官類型，根據(jù)所設(shè)置的參數(shù)，對(duì)所述器官幾何曲面進(jìn)行自適應(yīng)網(wǎng)格化。
2、 如權(quán)利要求1所述的三維植物器官幾何曲面自適應(yīng)網(wǎng)格化方 法，其特征在于，所述步驟S3包括點(diǎn)集生成步驟和網(wǎng)格化步驟，所 述點(diǎn)集生成步驟是根據(jù)所述步驟S2中設(shè)置的參數(shù)計(jì)算得到構(gòu)成所述 器官幾何曲面的點(diǎn)云集合；所述網(wǎng)格化步驟是從生成的點(diǎn)云集合中構(gòu)建出所述器官幾何曲面的多邊形模型。
3、 如權(quán)利要求2所述的三維植物器官幾何曲面自適應(yīng)網(wǎng)格化方 法，其特征在于，在所述步驟S1中，將所述植物器官分為三類軸骨架器官，表示具有圓柱體形狀的器官；半輪廓-軸骨架器官，包括一根軸線和一根邊緣線，表示具有對(duì) 稱結(jié)構(gòu)的橢圓體器官；和全輪廓-軸骨架器官，包括一根軸線和兩根邊緣線，表示具有不 規(guī)則邊緣的薄片狀器官。
4、 如權(quán)利要求3所述的三維植物器官幾何曲面自適應(yīng)網(wǎng)格化方 法，其特征在于，在步驟S1建立各個(gè)植物器官的骨架模型的過程中， 用B樣條曲線表示所述植物器官的骨架中的軸線和邊緣線。
5、 如權(quán)利要求3所述的三維植物器官幾何曲面自適應(yīng)網(wǎng)格化方 法，其特征在于，所述步驟S2具體為對(duì)于所述軸骨架器官，將參數(shù)設(shè)置為包括器官上下橫截面的半徑、橫截面網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)以及在長度方向上進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)用來指導(dǎo)點(diǎn) 集生成的參數(shù)；對(duì)于所述半輪廓-軸骨架器官，將參數(shù)設(shè)置為包括橫截面網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)以及在長度方向上進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)用來指導(dǎo)點(diǎn)集生成的參數(shù)；對(duì)于所述全輪廓-軸骨架器官，將參數(shù)設(shè)置為在長度方向上進(jìn)行 網(wǎng)格劃分時(shí)用來指導(dǎo)點(diǎn)集生成的參數(shù)。
6、 如權(quán)利要求5所述的三維植物器官幾何曲面自適應(yīng)網(wǎng)格化方法，其特征在于，所述在長度方向上進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)用來指導(dǎo)點(diǎn)集生成的參數(shù)包括最小劃分長度M和段間最大夾角。
7、 如權(quán)利要求6所述的三維植物器官幾何曲面自適應(yīng)網(wǎng)格化方 法，其特征在于，所述點(diǎn)集生成步驟具體為對(duì)于所述軸骨架器官，根據(jù)最小劃分長度M對(duì)軸線進(jìn)行等分預(yù) 分割，然后再根據(jù)段間最大夾角對(duì)分割后的線段進(jìn)行檢測，檢測完所 有分割點(diǎn)分割得到的線段，保留下來的分割點(diǎn)用來生成構(gòu)成所述器官 幾何曲面的點(diǎn)云集合；其中所述軸線用B樣條曲線表示；其中，所述 "生成構(gòu)成所述軸骨架器官的器官幾何曲面的點(diǎn)云集合"的步驟具體 為對(duì)于保留下來的每個(gè)分割點(diǎn)，根據(jù)所設(shè)置的橫截面的半徑和橫截 面網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)N,在所述分割點(diǎn)上通過橫截面的半徑按垂直于軸線方 向依次繞軸線旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，得到該橫截面邊緣輪廓線上的所述橫截 面網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)個(gè)空間點(diǎn)，構(gòu)成所述軸骨架器官的器官幾何曲面的點(diǎn)云 集合；對(duì)于所述半輪廓-軸骨架器官，根據(jù)所述最小劃分長度M對(duì)邊緣 線進(jìn)行等分預(yù)分割，然后再根據(jù)所述段間最大夾角對(duì)分割后的線段進(jìn) 行檢測，檢測完所有分割點(diǎn)分割得到的線段，保留下來的分割點(diǎn)用來 生成構(gòu)成所述器官幾何曲面的點(diǎn)云集合;其中所述邊緣線用B樣條曲 線表示；其中，所述"生成構(gòu)成所述半輪廓-軸骨架器官的器官幾何 曲面的點(diǎn)云集合"的步驟具體為為了由所述邊緣線生成器官的外圍曲面點(diǎn)集，對(duì)于保留下來的每個(gè)分割點(diǎn)，根據(jù)橫截面網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)N， 在所述分割點(diǎn)上按垂直于軸線方向依次繞軸線旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，得到該 橫截面邊緣輪廓線上的橫截面網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)個(gè)空間點(diǎn)，構(gòu)成所述半輪廓 -軸骨架器官的器官幾何曲面的點(diǎn)云集合；對(duì)于所述全輪廓-軸骨架器官，首先將該骨架分成左右兩個(gè)部分, 每個(gè)部分都用兩根所述B樣條曲線圍成 一個(gè)封閉的多邊形，對(duì)于每個(gè)封閉的多邊形，首先按最小劃分長度M對(duì)所述B樣條曲線進(jìn)行等分預(yù)分割，然后再根據(jù)段間最大夾角對(duì)分割后的線段進(jìn)行檢測，對(duì)左右 兩個(gè)封閉的多邊形進(jìn)行檢測后，保留下來的分割點(diǎn)點(diǎn)集即為所述全輪 廓-軸骨架器官的器官幾何曲面的點(diǎn)云集合。
8、 如權(quán)利要求7所述的三維植物器官幾何曲面自適應(yīng)網(wǎng)格化方 法，其特征在于，所述"根據(jù)段間最大夾角對(duì)分割后的線段進(jìn)行檢測" 的步驟具體為根據(jù)最小劃分長度M,將所述B樣條曲線分成為指定長度的等 分線段，記錄每個(gè)分割點(diǎn)的坐標(biāo)，然后從所述B樣條曲線的一個(gè)端點(diǎn) 開始，根據(jù)段間最大夾角對(duì)相鄰的兩個(gè)線段進(jìn)行檢測若第一、二條 線段的夾角大于段間最大夾角，則將這兩條線段中間的那個(gè)分割點(diǎn)坐 標(biāo)刪除，即將該分割點(diǎn)左右的兩條線段合并，合并后的線段與下一條 線段再進(jìn)行檢測；若第一、二條線段的夾角小于或等于段間最大夾角， 則將檢測的線段下移一位，即檢測第二、第三條線段；如此循環(huán)，直 到檢測完所有所述分割點(diǎn)分割得到的線段，保留下來的分割點(diǎn)用來生 成構(gòu)成這類器官的器官幾何曲面的點(diǎn)云集合。
9、 如權(quán)利要求7所述的三維植物器官幾何曲面自適應(yīng)網(wǎng)格化方 法，其特征在于，所述網(wǎng)格化步驟具體為對(duì)于所述軸骨架器官和半輪廓-軸骨架器官，對(duì)相鄰兩個(gè)分割點(diǎn) 計(jì)算得到的兩組空間點(diǎn)進(jìn)行網(wǎng)格連接，形成器官外形輪廓的三角形網(wǎng)對(duì)于全輪廓-軸骨架器官，釆用Ddaunay三角化算法實(shí)現(xiàn)三維空 間中不規(guī)則多邊形的三角化。
10、 如權(quán)利要求9所述的三維植物器官幾何曲面自適應(yīng)網(wǎng)格化方 法，其特征在于，所述"釆用Ddaunay三角化算法實(shí)現(xiàn)三維空間中 不規(guī)則多邊形的三角化"的步驟具體為在三角化的過程中，對(duì)于所 述全輪廓-軸骨架器官的左右兩個(gè)部分，從每個(gè)部分計(jì)算得到的點(diǎn)云 集合組成了一個(gè)閉合的多邊形，對(duì)該多邊形進(jìn)行Ddaunay三角化即 可生成該部分曲面的多邊形模型。
11、 一種三維植物器官幾何曲面自適應(yīng)網(wǎng)格化系統(tǒng)，其包括 骨架表示模塊，用于按照植物器官的外形特征對(duì)所述植物器官進(jìn)行分類，并建立各個(gè)植物器官的骨架模型；參數(shù)定義模塊，用于針對(duì)不同的植物器官類型，設(shè)置對(duì)器官幾何 曲面進(jìn)行網(wǎng)格化時(shí)需要用到的參數(shù)；以及器官幾何曲面自適應(yīng)網(wǎng)格化模塊，用于針對(duì)不同的植物器官類 型，根據(jù)所設(shè)置的參數(shù)，對(duì)所述器官幾何曲面進(jìn)行自適應(yīng)網(wǎng)格化。
12、 如權(quán)利要求11所述的三維植物器官幾何曲面自適應(yīng)網(wǎng)格化 系統(tǒng)，其特征在于，所述器官幾何曲面自適應(yīng)網(wǎng)格化模塊包括點(diǎn)集生 成模塊和網(wǎng)格化模塊，所述點(diǎn)集生成模塊用于根據(jù)所述參數(shù)定義模塊設(shè)置的參數(shù)計(jì)算得到構(gòu)成所述器官幾何曲面的點(diǎn)云集合；所述網(wǎng)格化模塊用于從生成的點(diǎn)云集合中構(gòu)建出所述器官幾何曲面的多邊形模 型。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種三維植物器官幾何曲面自適應(yīng)網(wǎng)格化方法及系統(tǒng)。該方法包括步驟按植物器官的外形特征對(duì)植物器官進(jìn)行分類，并建立各植物器官的骨架模型；針對(duì)不同的植物器官類型，設(shè)置對(duì)器官幾何曲面進(jìn)行網(wǎng)格化時(shí)需用到的參數(shù)；針對(duì)不同的植物器官類型，對(duì)器官幾何曲面進(jìn)行自適應(yīng)網(wǎng)格化。本發(fā)明的方法能按照不同的應(yīng)用需求，選擇生成不同網(wǎng)格規(guī)模、不同分辨率的植物幾何網(wǎng)格曲面，以滿足大規(guī)模植物生長可視化模擬、植物冠層光分布計(jì)算、三維植物場景實(shí)時(shí)繪制等應(yīng)用。
文檔編號(hào)G06T17/00GK101650836SQ200910092530
公開日2010年2月17日 申請(qǐng)日期2009年9月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月10日
發(fā)明者溫維亮, 肖伯祥, 趙春江, 郭新宇, 陸聲鏈 申請(qǐng)人:北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心