[發(fā)明專利]光照與生長方程共同約束的三維數(shù)字樹木生長建模方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710639328.1
• 申請(qǐng)日: 2017-07-31
• 公開（公告）號(hào): CN107507268B
• 公開（公告）日: 2020-07-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 易磊;郗潤平;郭建偉;李紅軍;孟維亮;張曉鵬
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西北工業(yè)大學(xué);中國科學(xué)院自動(dòng)化研究所
• 主分類號(hào): G06T17/00
• 分類號(hào): G06T17/00
• 代理公司: 西北工業(yè)大學(xué)專利中心 61204
• 代理人: 王鮮凱

本發(fā)明公開了一種光照與生長方程共同約束的三維數(shù)字樹木生長建模方法，用于解決現(xiàn)有三維數(shù)字樹木生長建模方法不能約束樹木生長高度的技術(shù)問題。技術(shù)方案是根據(jù)植物生長方程，通過輸入三維數(shù)字樹木根的起始位置和初始的主干方向，以及樹木生長空間的光照信息，一輪一輪地迭代生長。首先計(jì)算各個(gè)樹枝的頂芽和側(cè)芽獲得的光照資源，然后計(jì)算光照資源的匯聚和分配量，再利用生長方程約束樹木的生長速度，確定每個(gè)頂芽和側(cè)芽是否生長以及生長的速度，最后計(jì)算出新的樹枝位置和分枝模型的幾何量，更新樹枝中各個(gè)結(jié)點(diǎn)的半徑值。停止迭代生長后，輸出樹枝模型，添加樹葉。本發(fā)明解決了在光照資源充分的條件下，不能約束樹木的生長高度的技術(shù)問題。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種三維數(shù)字樹木生長建模方法，特別涉及一種光照與生長方程共同約束的三維數(shù)字樹木生長建模方法。

背景技術(shù)

三維數(shù)字樹木是虛擬現(xiàn)實(shí)、數(shù)字林業(yè)、三維游戲和電影中不可或缺的重要對(duì)象。近幾年的研究和技術(shù)發(fā)展正由靜態(tài)的三維數(shù)字樹木模擬轉(zhuǎn)向?yàn)槿S數(shù)字樹木的動(dòng)態(tài)生長模擬。

文獻(xiàn)1“Palubicki W,Horel K,Longay S,et al.Self-organizing tree modelsfor image synthesis[J].ACM Transactions on Graphics,2013,28(3):5801-5810.”公開了一種三維數(shù)字樹木建模方法。該三維數(shù)字樹木生長建模方法的步驟是：第一步是輸入初始樹木模型；第二步是計(jì)算側(cè)芽和頂芽生長的局部光照環(huán)境；第三步是確定每個(gè)芽的未來狀態(tài)，即生長，分枝和脫落這三個(gè)狀態(tài)之一；第四步是樹枝生長和分枝；第五步是更新各個(gè)樹枝結(jié)點(diǎn)的半徑；最后，重復(fù)第二步至第五步，或者樹木停止生長并輸出當(dāng)前的樹木模型。該方法解決了樹木生長的光照資源競爭的生長模型的構(gòu)建。

文獻(xiàn)2“Lei Yi,Hongjun Li,Jianwei Guo,Oliver Deussen,Xiaopeng Zhang,Light-Guided Tree Modeling of Diverse Biomorphsy,In:Proc of Pacific Graphics2015,pp.53-57”公開了一種三維數(shù)字樹木建模方法。該三維數(shù)字樹木生長建模方法的步驟是：第一步是輸入初始樹木模型；第二步是計(jì)算側(cè)芽和頂芽生長的獲取的光照資源；第三步是資源分配到現(xiàn)已經(jīng)生成的各個(gè)樹枝結(jié)點(diǎn)；第四步是生成新的分枝；第五步是計(jì)算新的分枝對(duì)光照環(huán)境的影響；第六步是更新各個(gè)樹枝結(jié)點(diǎn)的半徑；最后，重復(fù)第二步至第六步，或者樹木停止生長并輸出當(dāng)前的樹木模型。該方法從資源分配角度改進(jìn)了光照資源競爭環(huán)境下的數(shù)字樹木的生長建模。

但是，現(xiàn)有的方法在光照資源充分的條件下，不能約束樹木生長高度，即三維數(shù)字樹木模型隨著光照資源的無限而無限長高。事實(shí)上，按照2004年《自然》雜志文章“Koch GW,Sillett S C,Jennings G M,et al.The limits to tree height[J].Nature,2004,428(6985):851-4.”的觀點(diǎn)，樹木的高度是有極限的，不可能因?yàn)楣庹召Y源無限就能無限地生長。現(xiàn)有的數(shù)字樹木生長建模技術(shù)都沒有解決這個(gè)技術(shù)問題。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服現(xiàn)有三維數(shù)字樹木生長建模方法不能約束樹木生長高度的不足，本發(fā)明提供一種光照與生長方程共同約束的三維數(shù)字樹木生長建模方法。該方法根據(jù)植物生長方程，通過輸入三維數(shù)字樹木根的起始位置和初始的主干方向，以及樹木生長空間的光照信息，然后再一輪一輪地迭代生長。在每一輪的生長中，首先計(jì)算各個(gè)樹枝的頂芽和側(cè)芽獲得的光照資源，然后計(jì)算光照資源的匯聚和分配量，再利用生長方程約束樹木的生長速度，確定每個(gè)頂芽和側(cè)芽是否生長以及生長的速度，最后計(jì)算出新的樹枝位置和分枝模型的幾何量，更新樹枝中各個(gè)結(jié)點(diǎn)的半徑值，再重新計(jì)算經(jīng)過一輪生長之后的樹木模型對(duì)周圍環(huán)境的光照的影響，重算光照資源。停止迭代生長后，輸出樹枝模型，添加樹葉。本發(fā)明可以解決在光照資源充分的條件下，不能約束樹木的生長高度的技術(shù)問題。