專利名稱：一種辣椒果實(shí)幾何建模方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及數(shù)字農(nóng)業(yè)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種辣椒果實(shí)幾何建模方法。
背景技術(shù)：
數(shù)字植物是數(shù)字農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ)性研究工作，其綜合利用數(shù)字化技術(shù)對(duì)植物的生命過 程和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程進(jìn)行定量化可視化研究，為植物幾何建模、生長過程模擬、可視化計(jì)算、 植物生命體系的數(shù)字化表達(dá)、協(xié)同科研試驗(yàn)、集成應(yīng)用以及成果共享等，提供支撐技術(shù)和信 息服務(wù)平臺(tái)。隨著計(jì)算機(jī)硬件性能的不斷提高以及虛擬植物建模、景觀設(shè)計(jì)等領(lǐng)域的不斷研 究，使得較高真實(shí)感的植物造型成為可能和必需。辣椒果實(shí)長圓筒狀，果肉較厚，顏色艷麗、美觀；分為紅色、黃色、紫色、綠色等多種 顏色。整個(gè)果實(shí)一般分為2到4個(gè)部分(不含柄)，相鄰兩部分的連接處有比較明顯的溝 痕，并且果實(shí)的上下兩個(gè)尖端明顯下凹。植物果實(shí)的幾何建模方法主要通過植物本身的輪廓特征結(jié)合參數(shù)曲面來構(gòu)建蘇紅波基于蘋果果實(shí)的外形特征，提取外形參數(shù)，利用Bezier曲線，擬合外圍輪 廓曲線，將輪廓線按照一定的軌跡曲線旋轉(zhuǎn)，構(gòu)造了蘋果果實(shí)；參考文獻(xiàn)蘇紅波，郭新宇， 陸聲鏈，溫維亮，王衍安，戴仕明，蘋果花序幾何造型及可視化研究，中國農(nóng)學(xué)通報(bào)，2009，2， 5(02)。陸玲和周書民提出了一種基于曲面參數(shù)方程的植物果實(shí)的造型方法，該方法使用 凹凸紋理處理方式對(duì)橢球參數(shù)方程進(jìn)行變形，模擬各種不同形狀植物果實(shí)形狀。參考文獻(xiàn) 陸玲，周書民，植物果實(shí)的幾何造型及可視化研究，系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2007，4，19 (8)。鄧青青等人通過拼接多個(gè)Bezier曲面，實(shí)現(xiàn)了果實(shí)表面的構(gòu)建，模擬了柑橘和蘋 果。參考文獻(xiàn)鄧青青，虛擬柑橘生長可視化建模研究與實(shí)現(xiàn)。上述背景技術(shù)有如下缺陷輪廓線按照軌跡線旋轉(zhuǎn)的方法構(gòu)造的果實(shí)較光滑，難以構(gòu)造表面凹凸感較強(qiáng)的植 物果實(shí)；基于曲面參數(shù)方程的植物果實(shí)的造型方法對(duì)構(gòu)建果實(shí)外形的控制不夠靈活；通過拼接多個(gè)Bezier曲面構(gòu)造果實(shí)的方法無法實(shí)現(xiàn)曲面的無縫光滑拼接，并且 容易出現(xiàn)表面的縫隙斷裂等情況。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是如何構(gòu)造出辣椒果實(shí)凹凸感較強(qiáng)的果實(shí)模型，并且 果實(shí)模型表面光滑無裂痕。(二)技術(shù)方案為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種辣椒果實(shí)幾何建模方法，包括以下步驟Sl 根據(jù)辣椒果實(shí)表面的標(biāo)記點(diǎn)分別采集辣椒果實(shí)每個(gè)部分表面的三維數(shù)據(jù)點(diǎn)， 所述辣椒果實(shí)被表面的溝痕將所述辣椒果實(shí)分為2到4個(gè)部分；S2 根據(jù)每部分的三維數(shù)據(jù)點(diǎn)利用NURBS曲面分別對(duì)每個(gè)部分建模；S3 采用樣條拼接方法將各部分建模的模型拼接成完整的辣椒果實(shí)模型。其中，所述步驟S2中具體建模的NURBS公式如下尸CM):^-,
ΣΣ氣Λ,⑴ ⑴
/=0 j=0(s，t) e [sk, sm+1] X [t1 tn+1](1)其中，Pi,」為控制頂點(diǎn)，Niik(S)，Nj, Jt)是分別定義在節(jié)點(diǎn)矢量S = {s0, S1,…，sm+k+1} (Si 彡 si+1，i = 0，1，…，m+k) (2)T = {t0, t1 …，tn+1+1} (tj ( tJ+1，j = 0，1，…，n+1) (3)上的k次和1次B樣條基函數(shù)，ω .j為控制頂點(diǎn)Piij的權(quán)值，k、1表示所采用的B 樣條基函數(shù)的次數(shù)，m和η為NURBS曲面分別在s向和t向上的控制點(diǎn)個(gè)數(shù)。其中，所述公式(1)中k和1均取值為3，在控制點(diǎn)列首、尾兩端都采用三重節(jié)點(diǎn)， 節(jié)點(diǎn)矢量采用累加弦長參數(shù)，若控制點(diǎn)為Pi, (1 = 0,1,2,…，η)，則節(jié)點(diǎn)矢量為T = {t0,…， t3, t4, ...，tn+4}，其中，t0 =...= t3 = 0，tn+1 =…=tn+4 = 1, t3+i =i3+M +IPi-Pj2ItlPj -^1^,/=1,2,-^-3 ( 4 )。
/ M其中，在辣椒表面曲率越大，所在處的控制點(diǎn)權(quán)值ω i, j越大，控制點(diǎn)數(shù)也越多。其中，所述步驟S3具體包括S3. 1 平移、旋轉(zhuǎn)各部分的模型，使相鄰兩部分邊緣相應(yīng)標(biāo)記點(diǎn)重合；S3. 2 在邊界控制點(diǎn)列中插入控制點(diǎn)，使相鄰兩部分的邊界控制點(diǎn)列重合；S3. 3 根據(jù)公式(4)重新計(jì)算各個(gè)部分的節(jié)點(diǎn)矢量；S3. 4 利用重新計(jì)算的節(jié)點(diǎn)矢量重新生成NURBS曲面；S3. 5 對(duì)各個(gè)部分重復(fù)步驟S3. 1 S3. 4，完成各部分之間的拼接。其中，所述步驟S3. 2中插入的控制點(diǎn)的取值為相鄰兩部分邊界上控制點(diǎn)坐標(biāo)的 平均值。其中，所述每個(gè)部分的控制點(diǎn)數(shù)為100 300。(三)有益效果本發(fā)明通過NURBS曲面對(duì)辣椒的各個(gè)部分建模，并將各部分進(jìn)行拼接，可以手動(dòng) 調(diào)整NURBS曲面的控制點(diǎn)，能夠靈活地對(duì)構(gòu)建果實(shí)的外形進(jìn)行控制，果實(shí)表面較光滑，凹凸 感強(qiáng)，而且處無裂痕。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例的一種辣椒果實(shí)幾何建模方法流程圖；圖2是辣椒果實(shí)橫切面圖；圖3是本發(fā)明的方法對(duì)辣椒果實(shí)各部分建模的模型示意圖4是本發(fā)明的方法在無縫連接各部分建模時(shí)控制點(diǎn)插入前后對(duì)比圖。
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。以彩椒為具體實(shí)例來說明本發(fā)明，如圖1所示，為本發(fā)明實(shí)施例的一種辣椒(彩 椒)果實(shí)幾何建模方法流程圖，包括步驟SlOl，沿著辣椒果實(shí)表面的溝痕將所述辣椒果實(shí)分為2到4個(gè)部分，并根據(jù)辣 椒果實(shí)表面的標(biāo)記點(diǎn)分別采集每個(gè)部分的三維數(shù)據(jù)點(diǎn)。如圖2所示，為一種彩椒的橫切面 圖，可將其分成4個(gè)部分，分別對(duì)4個(gè)部分建模。為了到達(dá)比較好的真實(shí)感，在建模前每個(gè)部 分根據(jù)其大小需要采集100到300個(gè)不等的控制點(diǎn)。數(shù)據(jù)點(diǎn)主要使用三維掃描儀i^stkan 獲得，具體步驟為(1)用黑色記號(hào)筆在彩椒表面標(biāo)記擬采集點(diǎn)，即標(biāo)記點(diǎn)，根據(jù)各部分的大小在表面 標(biāo)記若干行，每行取點(diǎn)個(gè)數(shù)相同。(2)將被采集的彩椒果實(shí)固定，由于金屬對(duì)i^stkan有比較強(qiáng)的干擾，應(yīng)盡量遠(yuǎn) 離鐵架臺(tái)等金屬。(3)用i^stkan的探筆點(diǎn)取需要的三維數(shù)據(jù)點(diǎn)，沿著記號(hào)筆標(biāo)記的標(biāo)記點(diǎn)依次按 順序點(diǎn)取，為提高精度，統(tǒng)一將所有的點(diǎn)取到彩椒的表面上。(4)校正，在!^stkan處理軟件中觀察點(diǎn)的位置是否正確，如有偏差，重復(fù)步驟 ⑶。(5)導(dǎo)出數(shù)據(jù)，將獲取的三維數(shù)據(jù)點(diǎn)導(dǎo)出為obj文件，供建模時(shí)從中讀取三維數(shù)據(jù)
點(diǎn)ο步驟S102，根據(jù)每部分的三維數(shù)據(jù)點(diǎn)利用張量積NURBS曲面分別對(duì)每個(gè)部分建 模，其中，建模公式如下(s，t) e [sk, sm+1] X [t1 tn+1](1)其中，Pi, j為控制頂點(diǎn)，即步驟SlOl中獲取的三維數(shù)據(jù)點(diǎn)(三維數(shù)據(jù)點(diǎn)是從數(shù)據(jù) 獲取的角度來描述的，控制點(diǎn)是從曲面建模的角度來描述的)，&,k(s)，Ut)是分別定義 在節(jié)點(diǎn)矢量S = {s0, S1,…，sm+k+1} (Si 彡 si+1，i = 0,1,…，m+k) (2)T = {t0, t1 …，tn+1+1} (tj ( tJ+1，j = 0，1，…，n+1) (3)上的k次和1次B樣條基函數(shù)，ω^為控制頂點(diǎn)Py的權(quán)值，k、1表示所采用的 B樣條基函數(shù)的次數(shù)，k和1為自然數(shù)。m和η為NURBS曲面分別在s向和t向上的控制點(diǎn) 個(gè)數(shù)。其中，所述公式(1)中k和1均取值為3，在控制點(diǎn)列首、尾兩端都采用三重結(jié)點(diǎn)，節(jié) 點(diǎn)矢量采用累加弦長參數(shù)，若控制點(diǎn)為Pi，(i =0，1，2，…，η)，則t方向上的節(jié)點(diǎn)矢量為T ={t0, ...，t3,t4, ...，tn+4},其中，
權(quán)利要求
1.一種辣椒果實(shí)幾何建模方法，其特征在于，包括以下步驟51根據(jù)辣椒果實(shí)表面的標(biāo)記點(diǎn)分別采集辣椒果實(shí)每個(gè)部分表面的三維數(shù)據(jù)點(diǎn)，所述 辣椒果實(shí)被表面的溝痕將所述辣椒果實(shí)分為2到4個(gè)部分；52根據(jù)每部分的三維數(shù)據(jù)點(diǎn)利用NURBS曲面分別對(duì)每個(gè)部分建模； S3:采用樣條拼接方法將各部分建模的模型拼接成完整的辣椒果實(shí)模型。
2.如權(quán)利要求1所述的辣椒果實(shí)幾何建模方法，其特征在于，所述步驟S2中具體建模 的NURBS公式如下
3.如權(quán)利要求2所述的辣椒果實(shí)幾何建模方法，其特征在于，所述公式(1)中k和1均 取值為3，在控制點(diǎn)列首、尾兩端都采用三重節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)矢量采用累加弦長參數(shù)，若控制點(diǎn)為 Pi, (i = 0,1,2,…，η)，則節(jié)點(diǎn)矢量為 T = {t。，···, t3, t4,…，tn+4}，其中，
4.如權(quán)利要求2所述的辣椒果實(shí)幾何建模方法，其特征在于，在辣椒表面曲率越大，所 在處的控制點(diǎn)權(quán)值《u越大，控制點(diǎn)數(shù)也越多。
5.如權(quán)利要求1所述的辣椒果實(shí)幾何建模方法，其特征在于，所述步驟S3具體包括 S3. 1 平移、旋轉(zhuǎn)各部分的模型，使相鄰兩部分邊緣相應(yīng)標(biāo)記點(diǎn)重合；S3. 2 在邊界控制點(diǎn)列中插入控制點(diǎn)，使相鄰兩部分的邊界控制點(diǎn)列重合；S3. 3 根據(jù)公式(4)重新計(jì)算各個(gè)部分的節(jié)點(diǎn)矢量；S3. 4 利用重新計(jì)算的節(jié)點(diǎn)矢量重新生成NURBS曲面；S3. 5 對(duì)各個(gè)部分重復(fù)步驟S3. 1 S3. 4，完成各部分之間的拼接。
6.如權(quán)利要求5所述的辣椒果實(shí)幾何建模方法，其特征在于，所述步驟S3.2中插入的 控制點(diǎn)的取值為相鄰兩部分邊界上控制點(diǎn)坐標(biāo)的平均值。
7.如權(quán)利要求1 6中任一項(xiàng)所述的辣椒果實(shí)幾何建模方法，其特征在于，所述每個(gè)部 分的控制點(diǎn)數(shù)為100 300。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種辣椒果實(shí)幾何建模方法，包括S1根據(jù)辣椒果實(shí)表面的標(biāo)記點(diǎn)分別采集辣椒果實(shí)每個(gè)部分表面的三維數(shù)據(jù)點(diǎn)；S2根據(jù)每部分的三維數(shù)據(jù)點(diǎn)利用NURBS曲面分別對(duì)每個(gè)部分建模；S3采用樣條拼接方法將各部分建模的模型拼接成完整的辣椒果實(shí)模型。本發(fā)明能夠靈活地對(duì)構(gòu)建果實(shí)的外形進(jìn)行控制，果實(shí)表面較光滑，凹凸感強(qiáng)，而且拼接處無裂痕。
文檔編號(hào)G06T17/00GK102063736SQ201010608010
公開日2011年5月18日 申請(qǐng)日期2010年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月16日
發(fā)明者杜建軍, 溫維亮, 肖伯祥, 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