[發(fā)明專(zhuān)利]三維植物器官幾何曲面自適應(yīng)網(wǎng)格化方法及系統(tǒng)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200910092530.2
• 申請(qǐng)日: 2009-09-10
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN101650836A
• 公開(kāi)（公告）日: 2010-02-17
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 趙春江;陸聲鏈;郭新宇;肖伯祥;溫維亮
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心
• 主分類(lèi)號(hào): G06T17/00
• 分類(lèi)號(hào): G06T17/00;G06T15/00
• 代理公司: 北京路浩知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司
• 代理人: 胡小永

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(jiǎn)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(lái)自?xún)蓚€(gè)方面：一是植物生長(zhǎng)和發(fā)展過(guò)程的模擬和可視化；二是植物場(chǎng)景的真實(shí)感繪制，即創(chuàng)造視覺(jué)上令人滿(mǎn)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(wèn)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(zhǎng)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(kāi)創(chuàng)性工作由美國(guó)學(xué)者Lindenmayer提出，他提出了L-System——一個(gè)描述植物拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的通用方法。隨后，Smith和Prusinkiewicz等人為L(zhǎng)-System的完善和普及做了大量的工作，并開(kāi)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(mǎn)足景觀設(shè)計(jì)、游戲等領(lǐng)域?qū)Ρ普娴闹参锬Ｐ偷男枰聡?guó)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(kāi)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)和形態(tài)則通過(guò)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(lèi)似的軟件工具還包括Onyx?Tree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(méi)有考慮到網(wǎng)格面元的冗余和網(wǎng)格簡(jiǎn)化問(wèn)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(wèn)題。

近年來(lái)，部分研究者開(kāi)展了三維植物網(wǎng)格模型的簡(jiǎn)化技術(shù)研究。Weber根據(jù)樹(shù)木的遠(yuǎn)近對(duì)樹(shù)木的網(wǎng)格模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，但這些方法中，遠(yuǎn)處樹(shù)木簡(jiǎn)化后顏色過(guò)于單一，造成繪制結(jié)果細(xì)節(jié)模糊。后來(lái)又出現(xiàn)了很多其它的簡(jiǎn)化算法，如頂點(diǎn)精簡(jiǎn)、邊塌陷、頂點(diǎn)聚類(lèi)等，但由于樹(shù)木特殊的屬性，這些算法通常可以用于樹(shù)干的簡(jiǎn)化，對(duì)于樹(shù)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(jiǎn)化算法，通過(guò)迭代地用一個(gè)新的葉子代替原來(lái)的兩片葉子，不斷減少用于表示樹(shù)葉的多邊形的數(shù)目，同時(shí)保持樹(shù)冠的外形。但這類(lèi)方法繪制效率很低，而且只適合闊葉類(lèi)樹(shù)葉的簡(jiǎn)化，在簡(jiǎn)化針葉類(lèi)植物時(shí)，不能忠實(shí)地保持它們的物種特征。我國(guó)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(mǎn)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(jiǎn)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(jiǎn)化誤差，使得密度越大時(shí)簡(jiǎn)化誤差越小。

值得注意的是，上述植物網(wǎng)格模型簡(jiǎn)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(guò)程。這樣雖然具有不依賴(lài)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(jiǎn)化過(guò)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)格曲面的生成過(guò)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(jiǎn)化過(guò)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(jiǎn)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：

S1，按照植物器官的外形特征對(duì)植物器官進(jìn)行分類(lèi)，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(lèi)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(lèi)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(lèi)：