專利名稱：一種玉米雌穗三維形態(tài)虛擬建模方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及計算機圖形學(xué)中三維建模和虛擬農(nóng)業(yè)技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及農(nóng)作物三維形態(tài)虛擬建模與數(shù)字化設(shè)計技術(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)展的一個重要趨勢，虛擬農(nóng)業(yè)不但可以將農(nóng)業(yè)作物數(shù)字化，而且還能夠為科研者提供方便的交互性操作與觀察等，對于推動農(nóng)業(yè)發(fā)展有著巨大的作用。虛擬現(xiàn)實技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，在計算機上以三維可視的方式分析、研究和設(shè)計農(nóng)作物的形態(tài)結(jié)構(gòu)和生長過程已經(jīng)成為可能，對農(nóng)作物形態(tài)結(jié)構(gòu)的研究已經(jīng)進入到數(shù)字化、可視化的階段。作物數(shù)字化設(shè)計研究中一個重要的基礎(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有較多。
雌穗是玉米主要器官之一，發(fā)揮著重要的生理功能，且其形態(tài)在品種間存在著顯著的差異，因而玉米雌穗幾何造型和數(shù)字化設(shè)計對于玉米的虛擬化研究具有較為重要的意義，然而，目前尚無關(guān)于玉米雌穗幾何造型和數(shù)字化設(shè)計方面的成熟方法，傳統(tǒng)的計算機輔助設(shè)計建模方法和通用建模軟件工具難以適應(yīng)特定需求的玉米雌穗模型的構(gòu)建，而且不具有作物生理特征，不符合農(nóng)業(yè)知識背景。

發(fā)明內(nèi)容
(一)發(fā)明目的
本發(fā)明的目的是將現(xiàn)代計算機圖形技術(shù)和農(nóng)業(yè)信息化相結(jié)合，從而提供 一種玉米雌穗三維形態(tài)虛擬建模方法。
發(fā)明內(nèi)容
一種玉米雌穗三維形態(tài)虛擬建模方法，其特征在于，包括步驟:
S1:觀測玉米雌穗形態(tài)結(jié)構(gòu)，確定玉米雌穗三維形態(tài)的特征參數(shù);
S2:根據(jù)所述特征參數(shù)建立玉米雌穗的三維虛擬形態(tài)模型。
其中，所述步驟S2包括
S201:建立玉米雌穗的雌穗軸線模型；
S202:建立玉米雌穗的果穗柄模型；
S203:建立玉米雌穗的雌穗穗軸模型；
S204:建立玉米雌穗的雌穗苞葉模型；
S205:建立玉米雌穗的雌穗籽粒模型。
其中，所述步驟S201包括
用一段直線和一段圓弧來描述雌穗軸線，需要確定的參數(shù)為直線部分的長度和圓弧部分的半徑及弧長，所述軸線將作為后期整個雌穗設(shè)計建模的基準。
其中，所述果穗柄由節(jié)和節(jié)間組成。
其中，所述步驟S202包括
用圓建立節(jié)的模型，用圓臺建立節(jié)間虛擬模型；
建立中軸線為直線的果穗柄模型，需要確定的參數(shù)為果穗柄節(jié)數(shù)和各節(jié)間長度比例，各節(jié)間長度的總和與雌穗軸線圓弧部分的弧長相
等；
將所述直線軸線的果穗柄模型的各節(jié)以雌穗軸線的圓弧部分為參照目標進行旋轉(zhuǎn)、平移變換，實現(xiàn)各節(jié)間的彎曲變形，變形后使整個果穗柄模型中軸線與雌穗軸線的圓弧部分吻合，彎曲變形后每 一 節(jié)間中軸線弧長，即彎曲的節(jié)間長度與變形前對應(yīng)的節(jié)間長度相等。
其中，所述步驟S203包括
用圓錐體來建立雌穗穗軸頂端部分模型，用圓臺來建立雌穗穗軸其它部分模型，圓臺高度與圓錐高度的和與雌穗軸線直線部分的長度相等；
圓錐體和圓臺的中軸線與雌穗軸線直線部分重合，圓錐體位于圓
臺的頂部，為層疊關(guān)系；
根據(jù)雌穗穗軸上籽粒的穗行數(shù)和行粒數(shù)在雌穗穗軸體的中軸線和截面方向分別劃分網(wǎng)格，確定網(wǎng)格交點為籽粒生長點。
其中，所述步驟S204包括
用垂直于雌穗軸線的圓來模擬雌穗苞葉基部封閉部分的橫截面；用垂直于雌穗軸線的圓弧來模擬雌穗苞葉上部不封閉部分的橫截面；
按照果穗柄建模時軸線彎曲變換的方法來實現(xiàn)苞葉的彎曲。其中，所述步驟S205包括建立玉米籽粒的多面體三維形態(tài)模型；調(diào)整多面體頂點來反映不同籽粒的三維形態(tài)特征。(三)有益效果
本發(fā)明將現(xiàn)代計算機圖形技術(shù)與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)和生產(chǎn)過程相結(jié)合，根據(jù)農(nóng)作物數(shù)據(jù)建模需求，通過分析玉米雌穗的形態(tài)結(jié)構(gòu)特征，構(gòu)造出符合農(nóng)業(yè)知識和玉米生長、生理特性的描述玉米雌穗三維形態(tài)的數(shù)學(xué)模型，實現(xiàn)可用、實用的專業(yè)建模方法，開發(fā)實用工具具有重要的實際意義和廣闊的應(yīng)用前景。對于不同玉米品種，通過設(shè)置模型參數(shù)，即可在計算機上實現(xiàn)雌穗的三維顯示，具有較強的真實感效果。該模型可控性強，易于操作，可滿足玉米雌穗數(shù)字化設(shè)計的需要。


圖l是本發(fā)明玉米雌穗三維形態(tài)虛擬建模方法流程圖2是玉米雌穗形態(tài)結(jié)構(gòu)示意圖3是雌穗軸線描述示意圖4是雌穗果穗柄建模示意圖5是雌穗穗軸建模示意圖；圖6是玉米苞葉截面示意圖；圖7是玉米苞葉三維建模示意圖；圖8是玉米籽粒三維形態(tài)示意圖；圖9是重建的三維玉米雌穗模型效果圖。
具體實施例方式
本發(fā)明提出的玉米雌穗三維形態(tài)虛擬建模方法，結(jié)合附圖和實施例說明如下。
如圖l所示，本發(fā)明方法的流程圖，步驟S1是觀測玉米雌穗形態(tài)結(jié)構(gòu)，如圖2示出了玉米雌穗形態(tài)結(jié)構(gòu)示意圖。確定玉米雌穗三維形態(tài)的特征參數(shù)，例如果穗長30cm、果穗直徑10cm、果穗柄長度14cm、果穗柄彎曲度中、果穗柄節(jié)數(shù)10、苞葉覆蓋度中、穗粒行數(shù)12、每行粒數(shù)40、籽粒排列形式直、禿尖率0.11、籽粒顏色黃/橙。
步驟S2是根據(jù)特征參數(shù)建立玉米雌穗的三維形態(tài)虛擬模型，包括如下步驟
S201為建立玉米雌穗的雌穗軸線模型，如圖3所示，將雌穗穗軸的中軸線MN和果穗柄中軸線NP連接來模擬雌穗軸線。其中可看出雌穗穗軸高位d，果穗柄中軸線弧半徑為R，圓心角為oc。
S202為建立玉米雌穗的果穗柄模型，如圖4所示，用圓臺建立果穗柄節(jié)和節(jié)間模型，從而形成果穗柄中軸線為直線的果穗柄模型，如圖4 (a)所示，其中軸線為7VT'。之后將初始果穗柄模型進行旋轉(zhuǎn)、平移變換，實現(xiàn)彎曲變形。具體實現(xiàn)方法如下對于初始模型上的任一點P，設(shè)定其所在初始中軸線的垂直截面與初始中軸線的交點O'為初始基點。初始中軸線與Z軸重合，初始基點即為與該點Z坐標相等的Z軸上的點(點(T),計算實際中軸線上與初始基點對應(yīng)的點O (滿足實際中軸線iV戶上的相對弧長/與初始中心線上的高度/z相等)，并將這一點作為實際基點，如圖4(b)。計算實際中軸線在實際基點處的切線斜率，進而計算出實際中軸線在該處旋轉(zhuǎn)的角度，
即為對F進行旋轉(zhuǎn)變換的角度，對r進行從初始基點o'到實際基點o的平移變換，旋轉(zhuǎn)軸為實際基點o所在的與中軸線所在平面垂直
的直線，最終得到變換后的點F。通過對模型上逐點進行上述的平移和旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)果穗柄的彎曲變形。
S203為建立玉米雌穗的雌穗穗軸模型，如圖5所示，釆用圓錐體來模擬穗軸頂端部分，其它部位釆用圓臺體來模擬，如圖5(a)所示，確定模型參數(shù)包括穗軸基部半徑Ra、頂端半徑ra、穗軸體高度Ha、頂部錐體高度ha，使之滿足穗軸直徑、長度等相關(guān)參數(shù)限制。如圖5 (b)所示，根據(jù)雌穗生理特征，籽粒行數(shù)、每行粒數(shù)對穗軸進行網(wǎng)格劃分，確定籽粒生長點。
S204為建立玉米雌穗的雌穗苞葉模型，如圖6、圖7所示，苞葉具體建模過程如下用垂直于雌穗軸線的圓來模擬雌穗苞葉基部封閉部分的橫截面，其橫截面為截面圓，用垂直于雌穗軸線的圓弧來模擬雌穗苞葉上部不封閉部分的橫截面，其橫截面為截面圓弧。如圖6(a)所示，由于中軸線已經(jīng)確定，截面圓參數(shù)只由半徑Rhl就可以唯一確定苞葉截面形狀，截面圓弧參數(shù)除了半徑Rh2外，還需要使用截面圓弧方位角6 (截面圓弧中點處至坐標系Z軸的水平連線與坐標系X軸之間夾角)和截面圓弧長圓心角oo (截面圓弧在該截面內(nèi)所對應(yīng)的圓心角)兩個參數(shù)來決定弧長和方位，如圖6 (b)所示，從而確定截面圓弧形狀和位置。如圖7所示，先以直線為雌穗軸線來確定苞葉的輪廓線，以苞葉底部為基點，建立相對于高度h的苞葉截面圓和截面圓弧的參數(shù)關(guān)系，包括半徑Rhl (h)、 Rh2 (h)、截面圓弧方位角6 (h)和截面圓弧長圓心角co (h)(見圖7(a)),圖7(b)為隨h值變化所構(gòu)造出的截面圓和截面圓弧，根據(jù)構(gòu)造的截面圓和截面圓弧進一步可以構(gòu)造出軸線為直線時的苞葉模型(見圖7 (c));最后按照果穗柄建模時軸線彎曲變換的方法來實現(xiàn)苞葉的彎曲，完成對苞葉
8的形態(tài)模擬。
S205為建立玉米雌穗的雌穗籽粒模型，如圖8所示，使用多面
體表示玉米籽粒三維形態(tài)，設(shè)定籽粒相關(guān)模型參數(shù)使之符合玉米雌穗的生理特征參數(shù)，包括籽粒顏色、籽粒形狀、籽粒排列形式、籽粒行數(shù)、每行粒數(shù)等，通過調(diào)整多面體頂點來反映不同籽粒的三維形態(tài)特
征。圖8示出了單個籽粒的多面體線框模型，模型用兩個端點參數(shù)P0禾口P4，中部的3組點P1[8]、 P2[8]、 P3[8]來描述籽粒截面形狀。由每組8個點構(gòu)成的八邊形決定了單個籽粒不同位置的截面形狀，當(dāng)需要表示籽粒之間的差異時，只需改變定義單個籽粒的這組點即可。將籽粒模型與穗軸模型相結(jié)合即可以組裝成生長著籽粒的果穗模型。
經(jīng)過以上建模過程和步驟，根據(jù)玉米雌穗的生理特征，設(shè)定相應(yīng)的虛擬模型三維形態(tài)特征參數(shù)，利用建模系統(tǒng)平臺，最終能夠獲得特定品種的三維玉米雌穗虛擬模型，如圖9所示。
以上實施方式僅用于說明本發(fā)明，而并非對本發(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)明的專利保護范圍應(yīng)由權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
1、一種玉米雌穗三維形態(tài)虛擬建模方法，其特征在于，包括步驟S1觀測玉米雌穗形態(tài)結(jié)構(gòu)，確定玉米雌穗三維形態(tài)的特征參數(shù)；S2根據(jù)所述特征參數(shù)建立玉米雌穗的三維虛擬形態(tài)模型。
2、 如權(quán)利要求1所述的玉米雌穗三維形態(tài)虛擬建模方法，其特 征在于，所述步驟S2包括S201:建立玉米雌穗的雌穗軸線模型； S202:建立玉米雌穗的果穗柄模型； S203:建立玉米雌穗的雌穗穗軸模型； S204:建立玉米雌穗的雌穗苞葉模型； S205:建立玉米雌穗的雌穗籽粒模型。
3、 如權(quán)利要求2所述的玉米雌穗三維形態(tài)虛擬建模方法，其特 征在于，所述步驟S201包括用一段直線和一段圓弧來描述雌穗軸線，需要確定的參數(shù)為直線 部分的長度和圓弧部分的半徑及弧長，所述軸線將作為后期整個雌穗 設(shè)計建模的基準。
4、 如權(quán)利要求3所述的玉米雌穗三維形態(tài)虛擬建模方法，其特 征在于，所述果穗柄由節(jié)和節(jié)間組成。
5、 如權(quán)利要求4所述的玉米雌穗三維形態(tài)虛擬建模方法，其特 征在于，所述步驟S202包括用圓建立節(jié)的模型，用圓臺建立節(jié)間虛擬模型； 建立中軸線為直線的果穗柄模型，需要確定的參數(shù)為果穗柄節(jié)數(shù) 和各節(jié)間長度比例，各節(jié)間長度的總和與雌穗軸線圓弧部分的弧長相等；將所述直線軸線的果穗柄模型的各節(jié)以雌穗軸線的圓弧部分為 參照目標進行旋轉(zhuǎn)、平移變換，實現(xiàn)各節(jié)間的彎曲變形，變形后使整個果穗柄模型中軸線與雌穗軸線的圓弧部分吻合，彎曲變形后每 一 節(jié) 間中軸線弧長，即彎曲的節(jié)間長度與變形前對應(yīng)的節(jié)間長度相等。
6、 如權(quán)利要求3所述的玉米雌穗三維形態(tài)虛擬建模方法，其特征在于，所述步驟S203包括用圓錐體來建立雌穗穗軸頂端部分模型，用圓臺來建立雌穗穗軸 其它部分模型，圓臺高度與圓錐高度的和與雌穗軸線直線部分的長度 相等；圓錐體和圓臺的中軸線與雌穗軸線直線部分重合，圓錐體位于圓 臺的頂部，為層疊關(guān)系；根據(jù)雌穗穗軸上籽粒的穗行數(shù)和行粒數(shù)在雌穗穗軸體的中軸線 和截面方向分別劃分網(wǎng)格，確定網(wǎng)格交點為籽粒生長點。
7、 如權(quán)利要求3所述的玉米雌穗三維形態(tài)虛擬建模方法，其特 征在于，所述步驟S204包括用垂直于雌穗軸線的圓來模擬雌穗苞葉基部封閉部分的橫截面； 用垂直于雌穗軸線的圓弧來模擬雌穗苞葉上部不封閉部分的橫 截面； 按照果穗柄建模時軸線彎曲變換的方法來實現(xiàn)苞葉的彎曲。
8、 如權(quán)利要求2所述的玉米雌穗三維形態(tài)虛擬建模方法，其特 征在于，所述步驟S205包括建立玉米籽粒的多面體三維形態(tài)模型； 調(diào)整多面體頂點來反映不同籽粒的三維形態(tài)特征。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種玉米雌穗三維形態(tài)虛擬建模方法，該方法包括步驟觀測玉米雌穗形態(tài)結(jié)構(gòu)，確定玉米雌穗三維形態(tài)的特征參數(shù)；根據(jù)所述特征參數(shù)建立玉米雌穗的三維虛擬形態(tài)模型，其中分別對雌穗軸線、果穗柄、穗軸、苞葉和籽粒進行建模。本發(fā)明將現(xiàn)代計算機圖形技術(shù)與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)和生產(chǎn)過程相結(jié)合，對于不同玉米品種，通過設(shè)置模型參數(shù)，即可在計算機上實現(xiàn)雌穗的三維顯示，具有較強的真實感效果。該模型可控性強，易于操作，可滿足玉米雌穗數(shù)字化設(shè)計的需要。
文檔編號G06T17/00GK101673414SQ20091023605
公開日2010年3月17日 申請日期2009年10月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月19日
發(fā)明者溫維亮, 肖伯祥, 趙春江, 郭新宇, 陸聲鏈 申請人:北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心