一种植物掌状叶片多尺度建模方法技术

本发明专利技术涉及一种植物掌状叶片多尺度建模方法及装置。该方法包括：获取掌状叶片的多级叶片特征；从该掌状叶片的点云几何模型中提取多级叶片特征的结构化特征点，以获取该掌状叶片的叶缘特征线、褶皱特征线、一、二、三级叶脉特征线；离散上述各个特征线；并以叶缘特征线为边界构建该掌状叶片的参数化曲面；根据不同采样参数在参数化曲面上获取不同网格尺度的结构特征线采样点集以及参数化曲面采样点集；分别连接将每种尺寸对应的结构特征线采样点以及参数化曲面采样点以形成约束线；在上述约束线的基础上获取掌状叶片的网格模型。该装置基于上述方法实现。本发明专利技术可在保证叶脉特征同时构建多尺度的掌状叶片网格模型，且通过降低网格数量提升效率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及计算机图形学
，尤其涉及一种植物掌状叶片多尺度建模方法。
技术介绍
农业是中国国民经济的基础。农业信息化是本世纪农业发展的重要标志，也是农业现代化的重要组成部分。在农业信息化实施过程中，农业通过信息化可以获得倍增效益。信息业可以通过对农业的信息软硬件服务形成农业信息产业，最终形成农业与信息业双赢的良好局面。现代农业在农业生产、流通等各个环节都离不开信息服务，农业信息已经涉及到了农业生产、流通的方方面面，加之信息本身的增效作用，使得农业信息服务的各环节都会有效益产生。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，特别值得一提的是，虚拟农业已经成为我国农业发展的一个重要趋势，虚拟农业不但可以将农业作物数字化，而且还能够为科研者提供方便的交互性操作与观察等，对于推动农业发展有着巨大的作用。近年来，随着计算机硬件性能的不断提高以及虚拟植物建模、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。植物叶片按叶形可分为多种类型，例如玉米、水稻和小麦等植物具有长窄形叶片，黄瓜和葡萄等植物具有掌状叶片，松树具有针形叶片。针对具有不同形状叶片的植物，对其叶片的几何建模方法也不同，现有技术中有基于三维扫描数据开展的小麦叶片建模方法、有针对叶片枯萎的形态变化建模方法和有基于点云数据的植物叶片建模方法等，这些方法都能构造出真实感较强的植物叶片几何模型。但是上述方法无法控制植物叶片几何模型的网格的尺度。而现有技术中有文献采用重新网格化进行几何模型的网格化，不过该重新网格化存在尚不能在重构多尺度网格的同时保持植物叶片本身的叶脉和叶片褶皱等特征。
技术实现思路
本专利技术的其中一个目的在于提供一种植物掌状叶片多尺度建模方法及装置，以解决现有技术中植物叶片几何建模方法无法保持叶片叶脉和褶皱等特征的同时建立多尺度叶片网格模型构建的技术问题。为实现上述专利技术目的，第一方面，本专利技术实施例提供了一种植物掌状叶片多尺度建模方法，包括以下步骤：获取掌状叶片的多级叶片特征，该叶片特征包括：叶缘、褶皱、从叶基延伸至叶尖的一级叶脉、从一级叶脉延伸至叶缘的二级叶脉或者从二级叶脉发出的三级叶脉；从该掌状叶片的点云几何模型中提取所述多级叶片特征的结构化特征点，以获取该掌状叶片的叶缘特征线、褶皱特征线、一级叶脉特征线、二级叶脉特征线或者三级叶脉特征线；离散上述叶缘特征线、褶皱特征线、一级叶脉特征线、二级叶脉特征线或者三级叶脉特征线；并以所述叶缘特征线为边界构建该掌状叶片的参数化曲面；根据不同采样参数在所述参数化曲面上获取不同网格尺度的结构特征线采样点集以及参数化曲面采样点集；按照所述多级叶片特征的拓扑关系，分别连接将每种尺寸对应的结构特征线采样点以及参数化曲面采样点以形成约束线；在上述约束线的基础上获取所述掌状叶片的网格模型。可选地，采用插值B样条曲线拟合方法获取该掌状叶片的叶缘特征线、褶皱特征线、一级叶脉特征线、二级叶脉特征线或者三级叶脉特征线。可选地，所述一级叶脉特征线、所述二级叶脉特征线和所述三级叶脉特征线包括起点，且所述二级叶脉特征线的起点位于所述一级叶脉特征线上，所述三级叶脉特征线的起点位于所述二级叶脉特征线上。可选地，其特征在于，采用非均匀有理B样条曲线NURBS方法构建该掌状叶片的参数化曲面。可选地，获取不同网格尺度的结构特征线采样点集的步骤中，包括：所述采样参数包括单元尺度l、松弛因子β和忽略因子α；对结构特征线进行等弧长曲线采样；若曲线弧长小于α×l，该曲线不进行采样。可选地，获取不同网格尺度的结构特征线采样点集以及参数化曲面采样点集的步骤中，还包括：当不同曲线之间的采样点距离较近时，采用松弛因子调节上述采样点的关系；按照低级叶片特征到高级叶片特征的顺序进行松弛，且被松弛过的采样点设置为固定点；其中低级叶片特征到高级叶片特征分别为叶缘、褶皱、一级叶脉、二级叶脉或者三级叶脉；所述松弛因子β包括第一松弛因子β1和第二松弛因子β2；当测试采样点与固定点之间距离小于β1×l时，则直接删除该测试采样点；当测试采样点与固定点之间距离大于β1×l且小于β2×l时，则直接该测试采样点，并在(β1+β2)/2×l处插入一个新点；当测试采样点与固定点之间距离大于β2×l时，该测试采样点无需要松弛。可选地，获取不同网格尺度的结构特征线采样点集以及参数化曲面采样点集的步骤中，采用波前法在所述参数化曲面上采样获取参数化曲面采样点集。可选地，通过以下步骤对所述获取的参数化曲面采样点集进行校正，包括：将采用波前法获取的参数化曲面采样点与点云几何模型设置在同一坐标系下；当波前法获取一个新的参数化曲面采样点时，在点云数据中寻找一个最近的点来替代该参数化曲面采样点，以使所有参数化曲面采样点位于点云几何模型上。可选地，采用带约束的Delaunay三角剖分方法获取所述掌状叶片的网格模型。第二方面，本专利技术实施例还提供了一种植物掌状叶片多尺度建模装置，包括：叶片特征获取模块，用于获取掌状叶片的多级叶片特征，该叶片特征包括：叶缘、褶皱、从叶基延伸至叶尖的一级叶脉、从一级叶脉延伸至叶缘的二级叶脉或者从二级叶脉发出的三级叶脉；特征线获取模块，用于从该掌状叶片的点云几何模型中提取所述多级叶片特征的结构化特征点，以获取该掌状叶片的叶缘特征线、褶皱特征线、一级叶脉特征线、二级叶脉特征线或者三级叶脉特征线；参数化曲面获取模块，用于离散上述叶缘特征线、褶皱特征线、一级叶脉特征线、二级叶脉特征线或者三级叶脉特征线；并以所述叶缘特征线为边界构建该掌状叶片的参数化曲面；采样点集获取模块，用于根据不同采样参数在所述参数化曲面上获取不同网格尺度的结构特征线采样点集以及参数化曲面采样点集；多尺度网格模型获取模块，用于按照所述多级叶片特征的拓扑关系，分别连接将每种尺寸对应的结构特征线采样点以及参数化曲面采样点以形成约束线；在上述约束线的基础上获取所述掌状叶片的网格模型。本专利技术可以在保证叶脉特征的同时本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种植物掌状叶片多尺度建模方法，其特征在于，包括以下步骤：获取掌状叶片的多级叶片特征，该叶片特征包括：叶缘、褶皱、从叶基延伸至叶尖的一级叶脉、从一级叶脉延伸至叶缘的二级叶脉或者从二级叶脉发出的三级叶脉；从该掌状叶片的点云几何模型中提取所述多级叶片特征的结构化特征点，以获取该掌状叶片的叶缘特征线、褶皱特征线、一级叶脉特征线、二级叶脉特征线或者三级叶脉特征线；离散上述叶缘特征线、褶皱特征线、一级叶脉特征线、二级叶脉特征线或者三级叶脉特征线；并以所述叶缘特征线为边界构建该掌状叶片的参数化曲面；根据不同采样参数在所述参数化曲面上获取不同网格尺度的结构特征线采样点集以及参数化曲面采样点集；按照所述多级叶片特征的拓扑关系，分别连接将每种尺寸对应的结构特征线采样点以及参数化曲面采样点以形成约束线；在上述约束线的基础上获取所述掌状叶片的网格模型。

【技术特征摘要】
1.一种植物掌状叶片多尺度建模方法，其特征在于，包括以下
步骤：
获取掌状叶片的多级叶片特征，该叶片特征包括：叶缘、褶皱、
从叶基延伸至叶尖的一级叶脉、从一级叶脉延伸至叶缘的二级叶脉或
者从二级叶脉发出的三级叶脉；
从该掌状叶片的点云几何模型中提取所述多级叶片特征的结构
化特征点，以获取该掌状叶片的叶缘特征线、褶皱特征线、一级叶脉
特征线、二级叶脉特征线或者三级叶脉特征线；
离散上述叶缘特征线、褶皱特征线、一级叶脉特征线、二级叶脉
特征线或者三级叶脉特征线；并以所述叶缘特征线为边界构建该掌状
叶片的参数化曲面；
根据不同采样参数在所述参数化曲面上获取不同网格尺度的结
构特征线采样点集以及参数化曲面采样点集；
按照所述多级叶片特征的拓扑关系，分别连接将每种尺寸对应的
结构特征线采样点以及参数化曲面采样点以形成约束线；在上述约束
线的基础上获取所述掌状叶片的网格模型。
2.根据权利要求1所述的植物掌状叶片多尺度建模方法，其特征
在于，采用插值B样条曲线拟合方法获取该掌状叶片的叶缘特征线、
褶皱特征线、一级叶脉特征线、二级叶脉特征线或者三级叶脉特征线。
3.根据权利要求2所述的植物掌状叶片多尺度建模方法，其特征
在于，所述一级叶脉特征线、所述二级叶脉特征线和所述三级叶脉特
征线包括起点，且所述二级叶脉特征线的起点位于所述一级叶脉特征
线上，所述三级叶脉特征线的起点位于所述二级叶脉特征线上。
4.根据权利要求1～3任意一项所述的植物掌状叶片多尺度建模方
法，其特征在于，采用非均匀有理B样条曲线NURBS方法构建该掌状
叶片的参数化曲面。
5.根据权利要求1所述的植物掌状叶片多尺度建模方法，其特征
在于，获取不同网格尺度的结构特征线采样点集的步骤中，包括：
所述采样参数包括单元尺度l、松弛因子β和忽略因子α；
对结构特征线进行等弧长曲线采样；若曲线弧长小于α×l，该曲
线不进行采样。
6.根据权利要求5所述的植物掌状叶片多尺度建模方法，其特征
在于，获取不同网格尺度的结构特征线采样点集以及参数化曲面采样
点集的步骤中，还包括：
当不同曲线之间的采样点距离较近时，采用松弛因子调节上述采
样点的关系；按照低级叶片特征到高级叶片特征的顺序进行松弛，且
被松弛过的采样点设置为固定点；其中低级叶片特征到高级叶片特征
分别为叶缘、褶...

【专利技术属性】
技术研发人员：温维亮，李宝军，郭新宇，李宝君，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：北京;11