專利名稱：一種虛擬玉米葉片模型可控面元?jiǎng)澐址椒?br> 技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和虛擬農(nóng)業(yè)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及玉米葉 片三維形態(tài)虛擬建模與可視計(jì)算技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著農(nóng)業(yè)信息化技術(shù)的快速發(fā)展，新興的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng) 域也越來越多地得到應(yīng)用，特別值得一提的是，虛擬農(nóng)業(yè)已經(jīng)成為我 國農(nóng)業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)，虛擬農(nóng)業(yè)不但可以將農(nóng)業(yè)作物數(shù)字化， 而且還能夠?yàn)榭蒲腥藛T提供方便的交互性操作與觀察，對(duì)于推動(dòng)農(nóng)業(yè) 發(fā)展有著巨大的作用。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，在計(jì)算 機(jī)上以三維可視的方式分析、研究和設(shè)計(jì)農(nóng)作物的形態(tài)結(jié)構(gòu)和生長(zhǎng)過 程已經(jīng)成為可能，對(duì)農(nóng)作物形態(tài)結(jié)構(gòu)的研究已經(jīng)進(jìn)入到數(shù)字化、可視 化的階段。作物數(shù)字化設(shè)計(jì)研究中一個(gè)重要的基礎(chǔ)工作是植株或器官 的形態(tài)建模，玉米因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、形態(tài)特征明顯等原因引起了研究者 較大的興趣，關(guān)于玉米葉片、根系幾何造型的研究已取得了較大成果。
葉片是玉米主要器官之一，發(fā)揮著重要的生理功能，特別是在玉 米光合作用研究方面，更是起到關(guān)鍵的影響和作用。隨著虛擬農(nóng)業(yè)的 發(fā)展，針對(duì)玉米的數(shù)字化建模以及基于虛擬玉米模型的可視化科學(xué)計(jì) 算發(fā)揮著越來越重要的作用。由于受到現(xiàn)有計(jì)算機(jī)軟、硬件環(huán)境條件 的限制，使其數(shù)據(jù)處理能力存在一定的局限，因此在虛擬模型的可視 化科學(xué)計(jì)算上存在著一個(gè)精度和效率的矛盾，即要求較高的計(jì)算精度 時(shí)，必然導(dǎo)致面元數(shù)目的增加而影響計(jì)算效率，而要求較高的數(shù)據(jù)處 理效率時(shí)又會(huì)影響到計(jì)算精度，虛擬模型一旦轉(zhuǎn)化為面元模型，可控 性就會(huì)降低，并且網(wǎng)格簡(jiǎn)化過程會(huì)導(dǎo)致原有模型特征的丟失，目前尚 無一種保持模型特征的直接可控的面元?jiǎng)澐址椒ā?br>
發(fā)明內(nèi)容
(一) 發(fā)明目的
本發(fā)明的目的是提供一種虛擬玉米葉片模型可控面元?jiǎng)澐址椒ǎ?該方法可以在網(wǎng)格簡(jiǎn)化與面元?jiǎng)澐诌^程中保持葉片關(guān)鍵形態(tài)，并實(shí)現(xiàn) 多層次、多尺度的虛擬玉米葉片模型的網(wǎng)格簡(jiǎn)化及面元?jiǎng)澐帧?br> (二)

發(fā)明內(nèi)容
一種虛擬玉米葉片模型可控面元?jiǎng)澐址椒?，該方法包括步驟 S101:釆集玉米葉片表面特征點(diǎn)；
S102:以所述特征點(diǎn)作為型值點(diǎn)建立基于NURBS曲面的玉米葉 片虛擬模型；
S103:確定玉米葉片模型形態(tài)特征關(guān)鍵點(diǎn)；
S104:根據(jù)特征關(guān)鍵點(diǎn)，利用多線段分裂算法的逆運(yùn)算進(jìn)行曲面 網(wǎng)格簡(jiǎn)化。
其中，所述NURBS曲面表示方法為如下公式 p(u'w) = -
SI]B"u).Bj，h(w).Wi,j
i誦O j>0
其中，Vi,j為控制頂點(diǎn)，Wi,j為權(quán)因子，Bi,k(u)和Bj,h(w)分別 為沿u向的k次和沿w向的h次B樣條基函數(shù)。
其中，所述多線段分裂算法的逆運(yùn)算包括如下步驟
S201:選取起始兩個(gè)端點(diǎn)的連線作為初始線段，并在剩余點(diǎn)中選 取一級(jí)特征關(guān)鍵點(diǎn)，即與此線段距離最大的點(diǎn)；
S202:以該特征關(guān)鍵點(diǎn)到上一級(jí)特征關(guān)鍵點(diǎn)的連線作為一級(jí)線段 代替初始線段，再在剩余點(diǎn)中選取與一級(jí)線段所在直線距離最大的點(diǎn) 作為二級(jí)特征關(guān)鍵點(diǎn)；
S203:重復(fù)步驟s202直至所有點(diǎn)都作為特征關(guān)鍵點(diǎn)構(gòu)成線段。
(三) 有益效果
本發(fā)明可以在網(wǎng)格簡(jiǎn)化與面元?jiǎng)澐诌^程中保持葉片關(guān)鍵形態(tài)，并實(shí)現(xiàn)多層次、多尺度的虛擬玉米葉片模型的網(wǎng)格簡(jiǎn)化及面元?jiǎng)澐?，?而可動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)計(jì)算精度和計(jì)算效率的平衡。


圖l是本方法實(shí)現(xiàn)流程圖； 圖2是本方法基于NURBS曲面的玉米葉片模型； 圖3是本方法中多線段分裂算法的逆運(yùn)算示意圖； 圖4是本方法實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)格簡(jiǎn)化效果圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提出的虛擬玉米葉片模型可控面元?jiǎng)澐址椒ǎY(jié)合附圖和 實(shí)施例說明如下。
在實(shí)施該方法之前包括將相應(yīng)的軟件系統(tǒng)裝入計(jì)算機(jī)，如圖l所 示，S101采集玉米葉片表面特征點(diǎn)，結(jié)合農(nóng)業(yè)知識(shí)以及玉米生理、生 長(zhǎng)特征，對(duì)玉米葉片形態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀測(cè)分析，使用三維數(shù)字化儀釆集 玉米葉片表面特征點(diǎn)，作為葉片曲面建模的控制點(diǎn)。S102以特征點(diǎn)作 為型值點(diǎn)建立基于非均勻有理B樣條(NURBS)曲面的玉米葉片虛擬 模型，NURBS曲面表示方法為
tl]B"u).Bj,h(w).Wi,j.Vij
P(U, W ) = i^^;-
tfXk(u).Bj,"w).Wi,j
i=0 j=0
根據(jù)該公式和釆集的控制點(diǎn)組，設(shè)置一定的插值步長(zhǎng)，可以構(gòu)造葉片 虛擬模型，如圖2所示，其中，Vi， j為控制頂點(diǎn)，Wi， j為權(quán)因子， Bi， k(u) 和Bj, h(w)分別為沿u向的k次和沿w向的h次B樣 條基函數(shù)。S103確定玉米葉片模型形態(tài)特征關(guān)鍵點(diǎn)。S104步驟2生成 的葉片曲面模型具有光滑的曲面特性，初始生成的曲面模型具有密集 的表面點(diǎn)，以及曲面網(wǎng)格，需要按照本方法中所提出的多線段分裂算 法的逆運(yùn)算，進(jìn)行網(wǎng)格的簡(jiǎn)化。對(duì)于一組點(diǎn)(如圖3所示的6個(gè)點(diǎn))，
5該算法過程可以描述為
1、 選取起始兩個(gè)端點(diǎn)的連線作為初始線段，并在剩余點(diǎn)中選取
一級(jí)特征點(diǎn)，即與此線段距離最大(dmax)的點(diǎn)，如圖3-a所示；
2、 以該特征點(diǎn)到上一級(jí)特征點(diǎn)的連線作為一級(jí)線段代替初始線 段，再在剩余點(diǎn)中選取與一級(jí)線段所在直線距離最大的點(diǎn)作為二級(jí)特 征點(diǎn)，如圖3-b所示；
3、 以此類推，直至所有點(diǎn)都作為特征點(diǎn)構(gòu)成線段。 對(duì)于本方法中獲取的玉米葉片上的型值點(diǎn)，釆用多直線段分裂算
法，可先在一個(gè)方向上(如u向)進(jìn)行線段細(xì)化，然后再在另一方向 (w向)行線段細(xì)化，直至細(xì)化網(wǎng)格等于標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格。通過這種細(xì)化方 法的逆運(yùn)算，可對(duì)曲面網(wǎng)格進(jìn)一步簡(jiǎn)化，如圖4所示，為不同規(guī)格尺 度的網(wǎng)格簡(jiǎn)化結(jié)果。 實(shí)施例l
以某品種玉米葉片虛擬模型為例。
1、 針對(duì)該品種的玉米葉片形態(tài)進(jìn)行NURBS曲面建模，對(duì)玉米葉 片形態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀測(cè)分析，使用三維數(shù)字化儀釆集玉米葉片表面特征 點(diǎn)，作為NURBS曲面建模的控制點(diǎn)，釆集的特征點(diǎn)為12排，每排5個(gè) 點(diǎn)，其中每組對(duì)應(yīng)的5個(gè)點(diǎn)中，中間點(diǎn)位于葉脈曲線上，兩端點(diǎn)分別 位于葉片的兩側(cè)邊緣，第一排點(diǎn)從葉片根部開始釆集，第十二排點(diǎn)位 于葉片尖端，并且第十二排五點(diǎn)重合為一點(diǎn)，l-12排點(diǎn)沿玉米葉片均 勻排布。
2、 基于NURBS曲面構(gòu)建玉米葉片的虛擬模型，首先以釆集的12 x5排特征點(diǎn)作為曲面的插值型值點(diǎn)組，構(gòu)造插值方程組，計(jì)算 NURB S曲面的控制點(diǎn)組，然后再以求得的控制點(diǎn)組按照發(fā)明內(nèi)容所 述的NURBS曲面方程構(gòu)建虛擬玉米葉片模型，如圖2所示。
3、 按照如發(fā)明內(nèi)容步驟S104所述的網(wǎng)格簡(jiǎn)化方法，分別設(shè)置不 同的簡(jiǎn)化目標(biāo)參數(shù)，即面元規(guī)格尺度，實(shí)現(xiàn)由細(xì)密至稀疏的網(wǎng)格簡(jiǎn)化，如圖4所示，分別顯示了網(wǎng)格數(shù)目從1392至7的簡(jiǎn)化效果。
經(jīng)過以上網(wǎng)格簡(jiǎn)化步驟，最終實(shí)現(xiàn)一種直接可控的多層次、多尺
度的虛擬玉米葉片模型的網(wǎng)格簡(jiǎn)化及面元?jiǎng)澐址椒ā?br> 以上實(shí)施方式僅用于說明本發(fā)明，而并非對(duì)本發(fā)明的限制，有關(guān)
技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，
還可以做出各種變化和變型，因此所有等同的技術(shù)方案也屬于本發(fā)明
的范疇，本發(fā)明的專利保護(hù)范圍應(yīng)由權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
1、一種虛擬玉米葉片模型可控面元?jiǎng)澐址椒?，其特征在于，所述方法包括步驟S101采集玉米葉片表面特征點(diǎn)；S102以所述特征點(diǎn)作為型值點(diǎn)建立基于NURBS曲面的玉米葉片虛擬模型；S103確定玉米葉片模型形態(tài)特征關(guān)鍵點(diǎn)；S104根據(jù)特征關(guān)鍵點(diǎn)，利用多線段分裂算法的逆運(yùn)算進(jìn)行曲面網(wǎng)格簡(jiǎn)化。
2、 如權(quán)利要求1所述的虛擬玉米葉片模型可控面元?jiǎng)澐址椒?，其特征在于，所述NURBS曲面表示方法為如下公式i:ix"u).Bj,"w).w".v"jP(u，w) = iil^-其中，Vi，j為控制頂點(diǎn)，Wi,j為權(quán)因子，Bi，k(u)和Bj,h(w)分別為沿u向的k次和沿w向的h次B樣條基函數(shù)。
3、 如權(quán)利要求2所述的虛擬玉米葉片模型可控面元?jiǎng)澐址椒ǎ涮卣髟谟?，所述多線段分裂算法的逆運(yùn)算包括如下步驟S201:選取起始兩個(gè)端點(diǎn)的連線作為初始線段，并在剩余點(diǎn)中選取一級(jí)特征關(guān)鍵點(diǎn)，即與此線段距離最大的點(diǎn)；S202:以該特征關(guān)鍵點(diǎn)到上一級(jí)特征關(guān)鍵點(diǎn)的連線作為一級(jí)線段代替初始線段，再在剩余點(diǎn)中選取與一級(jí)線段所在直線距離最大的點(diǎn)作為二級(jí)特征關(guān)鍵點(diǎn)；S203:重復(fù)步驟s202直至所有點(diǎn)都作為特征關(guān)鍵點(diǎn)構(gòu)成線段。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種虛擬玉米葉片模型可控面元?jiǎng)澐址椒ǎ摲椒▽儆谔摂M農(nóng)業(yè)技術(shù)領(lǐng)域，包括步驟采集玉米葉片表面特征點(diǎn)；以所述特征點(diǎn)作為型值點(diǎn)建立基于NURBS曲面的玉米葉片虛擬模型；確定玉米葉片模型形態(tài)特征關(guān)鍵點(diǎn)；根據(jù)特征關(guān)鍵點(diǎn)，利用多線段分裂算法的逆運(yùn)算進(jìn)行曲面網(wǎng)格簡(jiǎn)化。本發(fā)明可以在網(wǎng)格簡(jiǎn)化與面元?jiǎng)澐诌^程中保持葉片關(guān)鍵形態(tài)，并實(shí)現(xiàn)多層次、多尺度的虛擬玉米葉片模型的網(wǎng)格簡(jiǎn)化及面元?jiǎng)澐郑瑥亩蓜?dòng)態(tài)調(diào)節(jié)計(jì)算精度和計(jì)算效率的平衡。
文檔編號(hào)G06T17/00GK101673411SQ20091009377
公開日2010年3月17日 申請(qǐng)日期2009年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月28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