專利名稱：虛擬植物生長(zhǎng)的展示方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及計(jì)算機(jī)三維圖像處理領(lǐng)域，具體地講，是一種虛擬植物生長(zhǎng)的展示方法。
背景技術(shù)：
計(jì)算機(jī)三維圖像處理技術(shù)可以用于植物的生長(zhǎng)控制領(lǐng)域，比如采用動(dòng)態(tài)三維模型 來展示虛擬植物的生長(zhǎng)過程。虛擬植物生長(zhǎng)的可視化展示是指在計(jì)算機(jī)上形象直觀地再 現(xiàn)植物的生長(zhǎng)過程，可應(yīng)用于農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)指導(dǎo)、產(chǎn)量預(yù)測(cè)、作物育種、苗情監(jiān)測(cè)、水土保持、 環(huán)境綠化、輔助景觀設(shè)計(jì)、教學(xué)和培訓(xùn)等方面。虛擬植物的研究起源于1968年美國(guó)生物 學(xué)家 Lindenmayer (LINDENMAYER A. Mathematical models for cellular interactions in development I. Filaments withone-sided inputs[J].Journal of Theoretical Biology, 1968,18(3) :280_99.以及 LINDENMAYER A. Mathematical models for cellular interactions in developmentll. Simple and branching filaments with two-sided inputs [J], Journal of TheoreticalBiology, 1968,18 (3) :300_15.)提出的用于研究植物 各器官相互關(guān)系的“字符重寫系統(tǒng)(String rewriting system) ”，或者被稱為L(zhǎng)文法。但 由于植物各種器官的布局十分復(fù)雜，受到器官形狀、器官形變、器官數(shù)量、以及器官之間相 互作用等多種因素的影響，目前虛擬植物生長(zhǎng)的可視化展示的效果還不能同時(shí)滿足動(dòng)態(tài)展 示和多分辨率展示的要求。在現(xiàn)有的虛擬植物生長(zhǎng)的可視化展示方法中，比如GreenLab (HU B G，DEREFFYE P, ZHAO X, et al. GreenLab :A new methodology towards plantfunctional-structural model-Structural aspect ；proceedings of the Plant GrowthModeling and Applications, Proceedings, F,2003 [C].)> L-studio(RadoslawKarwowski, Przemyslaw Prusinkiewicz. The L-system-based plant-modelingenvironment L-studion 4.0.In Proceedings of the 4th International Workshop onFunctional—Structural Plant Models, pp. 403-405, 2004 [C].)等方法可以展示植株整體的生長(zhǎng)變化，但是缺乏對(duì)植物器 官局部細(xì)節(jié)特征的展示。這類方法可以構(gòu)建動(dòng)態(tài)植物三維模型，卻無法同時(shí)從宏觀和微觀 等多個(gè)層次展示植物的生長(zhǎng)變化過程。在虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外學(xué)者也提出了各種基于多分辨率展示思想的三維物體 禾口場(chǎng)景的 宣染方法。如 Oliver Deussenl 等(Deussen, 0.，Colditz, C.，Stamminger, M.， et al. Interactive visualization of complex plant ecosystems. InProceedings of the Conference on Visualization' 02 (Boston, Massachusetts, October 27-November 01，2002)，pp. 219-226，2002 [C].)提出了一種多分辨率展示靜態(tài)生態(tài)系統(tǒng)的方法；羅 笑南等(羅笑南、齊鵬飛.基于XML和LOD技術(shù)的三維圖形多分辨率顯示方法中國(guó)， 200910037731. 2[P], 2009-08-05.)提出基于 XML(Extensible Markup Language,即可 擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言)和L0D(LeVelS of Detail，多層次細(xì)節(jié))技術(shù)的三維圖形多分辨率顯 示方法，對(duì)靜態(tài)的三維圖形進(jìn)行多分辨率展示；張立強(qiáng)(張立強(qiáng).網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下超大規(guī)模
3空間數(shù)據(jù)的三維可視化方法中國(guó)，200710119077. 0[P]. 2007-12-05.)提出了網(wǎng)絡(luò)環(huán)境 下超大規(guī)模空間數(shù)據(jù)的三維可視化方法，實(shí)現(xiàn)了超大規(guī)模幾何實(shí)體的動(dòng)態(tài)多分辨率顯 示；華煒等(華煒，鮑虎軍，劉峰.一種基于分級(jí)層次化深度網(wǎng)格的森林繪制方法中國(guó)， 200810059420. 1 [P], 2008-07-09.)提出了分級(jí)層次化深度網(wǎng)格的概念，并對(duì)森林紋理數(shù)據(jù) 進(jìn)行了有效的壓縮，使得森林的繪制速度和效果都得到了很大程度的提高。但是上述多分 辨率展示方法主要應(yīng)用于靜態(tài)三維物體和場(chǎng)景的展示，還沒有涉及到植物生長(zhǎng)變化的三維 展不。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是要提供一種虛擬植物生長(zhǎng)的展示方法，能 夠在低分辨率下展示虛擬植物植株的生長(zhǎng)過程，在中分辨率下展示虛擬植物器官的生長(zhǎng)過 程，在高分辨率下展示虛擬植物的紋理。為此，本發(fā)明提供了一種虛擬植物生長(zhǎng)的展示方法，按照以下步驟進(jìn)行根據(jù)植物 生長(zhǎng)過程中的照片建立虛擬植物器官的靜態(tài)三維模型；根據(jù)觀測(cè)距離判斷展示分辨率為低 分辨率、中分辨率或高分辨率；當(dāng)展示分辨率分別為低分辨率、中分辨率或高分辨率時(shí)，利 用虛擬植物器官的靜態(tài)三維模型分別對(duì)應(yīng)地繪制出虛擬植物植株生長(zhǎng)過程的動(dòng)態(tài)三維模 型、虛擬植物器官生長(zhǎng)過程的動(dòng)態(tài)三維模型或虛擬植物器官的靜態(tài)三維模型的紋理以進(jìn)行 展不。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，根據(jù)觀測(cè)距離判斷展示分辨率為當(dāng)觀測(cè)距離大于等于 預(yù)設(shè)的第一距離dmax時(shí)，展示分辨率判斷為低分辨率；當(dāng)觀測(cè)距離大于等于預(yù)設(shè)的第二距 離dmin且小于第一距離dmax時(shí)，展示分辨率判斷為中分辨率；當(dāng)觀測(cè)距離小于第二距離dmin 時(shí)，展示分辨率判斷為高分辨率。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，利用虛擬植物器官的靜態(tài)三維模型繪制出虛擬植物植 株生長(zhǎng)過程的動(dòng)態(tài)三維模型的步驟為用L文法中的字符表示虛擬植物的器官，并用L文法 中的產(chǎn)生式表示虛擬植物植株的生長(zhǎng)過程；通過龜形幾何(Turtle Geometry)對(duì)所述L文 法進(jìn)行圖形解釋，從而對(duì)所述靜態(tài)三維模型進(jìn)行組裝以繪制出虛擬植物植株生長(zhǎng)過程的動(dòng) 態(tài)三維模型。根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)方面，龜形幾何采用方向符號(hào)RU、RR、RH，分別表示繞龜形幾 何坐標(biāo)系的0、R, H軸旋轉(zhuǎn)，RH為生長(zhǎng)方向，每個(gè)方向符號(hào)帶一個(gè)參數(shù)以表示旋轉(zhuǎn)的角 度，順時(shí)針為正，逆時(shí)針為負(fù)，“[”、“]，，為分枝符號(hào)，即遇到“[”時(shí)壓棧保存當(dāng)前的狀態(tài)，遇 到“]”時(shí)將彈棧恢復(fù)上次壓棧信息，以實(shí)現(xiàn)虛擬植物的分枝，還包括表示產(chǎn)生式的中間迭代 信號(hào)量的臨時(shí)變量和表示虛擬植物器官的器官變量。根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)方面，利用虛擬植物器官的靜態(tài)三維模型繪制出虛擬植物器 官生長(zhǎng)過程的動(dòng)態(tài)三維模型采用Morphing方法，其步驟為把虛擬植物器官原始狀態(tài)和目 標(biāo)狀態(tài)的靜態(tài)三維模型投影到單位球面上得到原始拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和目標(biāo)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；建立原始拓 撲結(jié)構(gòu)和目標(biāo)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中頂點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系；對(duì)原始拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和目標(biāo)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之間的對(duì)應(yīng)頂 點(diǎn)進(jìn)行光滑插值，以繪制出虛擬植物器官生長(zhǎng)過程的動(dòng)態(tài)三維模型。根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)方面，利用虛擬植物器官的靜態(tài)三維模型繪制出虛擬植物器 官的靜態(tài)三維模型的紋理的步驟為從植物照片上提取紋理樣圖，并通過紋理合成算法合
4成紋理后映射到虛擬植物器官的靜態(tài)三維模型上以得到虛擬植物器官的靜態(tài)三維模型的紋理。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是通過觀測(cè)距離設(shè)定不同的展示分辨率，根 據(jù)展示分辨率采用不同的方法來分別動(dòng)態(tài)地展示植物的虛擬植株、器官和紋理的生長(zhǎng)變化 情況，能夠同時(shí)滿足宏觀和微觀展示的需要，提高了虛擬植物生長(zhǎng)的可視化展示效果，可以 更真實(shí)精確地再現(xiàn)植物生長(zhǎng)過程。


本發(fā)明上述的和/或附加的方面和優(yōu)點(diǎn)從下面結(jié)合附圖對(duì)實(shí)施例的描述中將變 得明顯和容易理解，其中圖1為本發(fā)明的虛擬植物生長(zhǎng)的展示方法的流程圖；圖2為本發(fā)明的虛擬植物生長(zhǎng)的展示方法中植物器官的三維模型圖；圖3為本發(fā)明的虛擬植物生長(zhǎng)的展示方法中龜形幾何的原理示意圖；圖4為本發(fā)明的虛擬植物生長(zhǎng)的展示方法中展示虛擬植物植株生長(zhǎng)過程的示意 圖；圖5-1為本發(fā)明的虛擬植物生長(zhǎng)的展示方法中展示虛擬植物果實(shí)生長(zhǎng)過程的示 意圖；圖5-2為本發(fā)明的虛擬植物生長(zhǎng)的展示方法中展示虛擬植物花朵生長(zhǎng)過程的示 意圖；圖6-1為本發(fā)明的虛擬植物生長(zhǎng)的展示方法中展示虛擬植物的花朵紋理的示意 圖；以及圖6-2為本發(fā)明的虛擬植物生長(zhǎng)的展示方法中展示虛擬植物的葉片紋理的示意 圖。
具體實(shí)施例方式下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例，所述實(shí)施例的示例在附圖中示出，其中自始至終 相同或類似的標(biāo)號(hào)表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附 圖描述的實(shí)施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對(duì)本發(fā)明的限制。圖1示出的是本發(fā)明中虛擬植物生長(zhǎng)的展示方法的流程，該展示方法按照以下步 驟進(jìn)行根據(jù)植物生長(zhǎng)過程中的照片建立虛擬植物器官的靜態(tài)三維模型；根據(jù)觀測(cè)距離判 斷展示分辨率為低分辨率、中分辨率或高分辨率；當(dāng)展示分辨率分別為低分辨率、中分辨率 或高分辨率時(shí)，利用靜態(tài)三維模型分別對(duì)應(yīng)地繪制出虛擬植物植株生長(zhǎng)過程的動(dòng)態(tài)三維模 型、虛擬植物器官生長(zhǎng)過程的動(dòng)態(tài)三維模型或虛擬植物器官的靜態(tài)三維模型的紋理以進(jìn)行 展示。以下將對(duì)各步驟進(jìn)行詳細(xì)描述。Sl 根據(jù)植物生長(zhǎng)過程中的照片建立虛擬植物器官的靜態(tài)三維模型。虛擬植物生長(zhǎng)過程的基礎(chǔ)是根據(jù)真實(shí)植物的照片建立仿真度很高的三維模型。在 進(jìn)行計(jì)算機(jī)建模之前，需要對(duì)植物的發(fā)芽、分枝、長(zhǎng)葉、開花和結(jié)果等各個(gè)生長(zhǎng)階段拍攝大 量的照片，從而為建立虛擬植物的三維模型提供豐富的原始樣本。在步驟Sl中創(chuàng)建的是虛 擬植物器官的靜態(tài)三維模型，這些靜態(tài)三維模型將為后續(xù)的虛擬植物生長(zhǎng)過程的三維動(dòng)態(tài)
5展示提供素材。本步驟中可以利用植物器官照片中器官表面的主要幾何特征和Autodesk 3ds Max建模軟件來創(chuàng)建植物器官的三維模型，當(dāng)然也可以用其他的三維建模軟件來實(shí)現(xiàn)建模。對(duì)于葉片、花瓣、果萼等片狀器官的三維建模，以辣椒葉片為例，建立三維坐標(biāo)系 〈X，1，Z>，利用一個(gè)已經(jīng)網(wǎng)格化的二維平面作為葉片的原始形狀，以采集的葉片正面圖像 作為參照背景，設(shè)定該二維平面邊緣處坐標(biāo)，使得邊緣與葉片正面圖像吻合，從而得到葉片 的二維幾何特征；然后以葉片側(cè)面圖像作為參照背景，通過指定二維平面上各個(gè)網(wǎng)格頂點(diǎn) 處的第三維坐標(biāo)，使得這些第三維坐標(biāo)與所采集的葉片側(cè)面圖像相同，即可確定葉片在第 三維上的形態(tài)；最后對(duì)葉片模型進(jìn)行非均勻有理網(wǎng)格光滑的處理，根據(jù)對(duì)網(wǎng)格各頂點(diǎn)的位 置來構(gòu)造一條曲線，對(duì)各網(wǎng)格頂點(diǎn)進(jìn)行逼近，以此來生成平滑的曲面形狀，增強(qiáng)葉片的光滑 性。對(duì)于莖干、花蕊、果實(shí)等柱狀器官的三維建模，如圖2所示的辣椒果實(shí)為例，將辣 椒果實(shí)模型放置在一個(gè)三維坐標(biāo)系<x，1，z>中，首先直接由圓柱體通過改變其軸向方向的 半徑，來模擬莖干等的粗細(xì)，然后改變器官表面各網(wǎng)格頂點(diǎn)在空間的位置，使得器官模型進(jìn) 行彎曲。對(duì)于花朵的三維建模，以辣椒花朵為例，分別對(duì)花瓣、花蕊、花枝等花朵組成部分 進(jìn)行建模。花瓣建模類似于葉片建模，花蕊和花枝的建模類似于莖干建模，然后將葉片和莖 干合成為花朵的三維模型。S2 根據(jù)觀測(cè)距離判斷展示分辨率為低分辨率、中分辨率或高分辨率。步驟S2可以根據(jù)實(shí)際觀測(cè)工具和觀測(cè)環(huán)境預(yù)先設(shè)定第一距離dmax和第二距離 dmin。比如，在利用照相機(jī)觀測(cè)植物時(shí)，照相機(jī)由遠(yuǎn)處逐漸向植物靠近，植物在照相機(jī)顯示屏 上占據(jù)的位置逐漸變大，這種情況下可以將顯示屏剛好能顯示整個(gè)植物植株的觀測(cè)距離設(shè) 置為第一距離dmax，將顯示屏上剛好能顯示某個(gè)特定植物器官的觀測(cè)距離設(shè)置為第二距離
dmin0預(yù)先設(shè)定第一距離dmax和第二距離dmin之后，根據(jù)觀測(cè)距離判斷展示分辨率，當(dāng)觀 測(cè)距離大于等于預(yù)設(shè)的第一距離dmax時(shí)，展示分辨率判斷為低分辨率；當(dāng)觀測(cè)距離大于等 于預(yù)設(shè)的第二距離dmin且小于第一距離dmax時(shí)，展示分辨率判斷為中分辨率；當(dāng)觀測(cè)距離小 于第二距離dmin時(shí)，展示分辨率判斷為高分辨率。S3:當(dāng)展示分辨率分別為低分辨率、中分辨率或高分辨率時(shí)，利用靜態(tài)三維模型分 別對(duì)應(yīng)地繪制出虛擬植物植株生長(zhǎng)過程的動(dòng)態(tài)三維模型、虛擬植物器官生長(zhǎng)過程的動(dòng)態(tài)三 維模型或虛擬植物器官的靜態(tài)三維模型的紋理以進(jìn)行展示。當(dāng)展示分辨率為低分辨率時(shí)，利用靜態(tài)三維模型繪制出虛擬植物植株生長(zhǎng)過程的 動(dòng)態(tài)三維模型以展示植株的生長(zhǎng)變化情況，包括以下步驟首先用L文法中的字符表示植 物的葉、花、果實(shí)等器官，并用L文法中的產(chǎn)生式表示植物植株的分枝、開花、結(jié)果等生長(zhǎng)過 程，植物的生長(zhǎng)規(guī)律可以根據(jù)農(nóng)業(yè)知識(shí)統(tǒng)計(jì)得出。L文法可以采用以下的程序進(jìn)行描述 其中，maxstep是迭代步數(shù)，axiom是初始狀態(tài)，productions是描述植物的發(fā)芽、 分枝、長(zhǎng)葉、開花、結(jié)果等生長(zhǎng)規(guī)則的產(chǎn)生式，文法中的leaf、flower等字符代表了植物的 葉、花等器官，并與之前創(chuàng)建的植物器官的靜態(tài)三維模型綁定。L文法是一種形式化語(yǔ)言，其經(jīng)過產(chǎn)生式迭代產(chǎn)生的結(jié)果是一系列字符串，本身不 具有幾何意義，需要通過龜形幾何(Turtle Geometry)對(duì)L文法進(jìn)行圖形解釋，從而對(duì)靜態(tài) 三維模型進(jìn)行組裝以繪制出虛擬植物植株生長(zhǎng)過程的動(dòng)態(tài)三維模型，由此來展示出虛擬植 物植株的生長(zhǎng)變化。圖3示出的是龜形幾何的坐標(biāo)，二維情況下，烏龜?shù)漠?dāng)前狀態(tài)可用一個(gè) 三元組<X，y，α >表示，其中(x，y)表示烏龜?shù)漠?dāng)前位置，α表示烏龜?shù)某?，即烏龜?shù)呐?行方向，每次響應(yīng)動(dòng)作后該狀態(tài)都會(huì)改變。在圖3所示的龜形幾何坐標(biāo)中，RU、RR、RH為方 向符號(hào)，分別表示繞[7、R、應(yīng)軸旋轉(zhuǎn)，RH為生長(zhǎng)方向，即烏龜?shù)某颉Ｃ總€(gè)方向符號(hào)帶一 個(gè)參數(shù)，表示旋轉(zhuǎn)的角度，順時(shí)針為正，逆時(shí)針為負(fù)?！癧”、“]”為分枝符號(hào)，即遇到“[”時(shí)龜圖將壓棧保存當(dāng)前的狀態(tài)，遇到“]”時(shí)將彈棧恢復(fù)上次壓棧信息，以實(shí)現(xiàn)植物的分枝。其它 字符可分為臨時(shí)變量和器官變量?jī)深?，其中臨時(shí)變量為產(chǎn)生式的中間迭代信號(hào)量，未綁定 任何器官信息，沒有幾何意義，而器官變量則有器官綁定信息，表示特定器官，有幾何意義。例如，用L文法得到關(guān)于虛擬植物生長(zhǎng)過程的字符串為A[RU(45)B]C[RU(-45)D] E，其中A、B、C、D、E均綁定為特定器官，其含義為從A出發(fā)遇到“[”，將當(dāng)前信息壓棧開始 分枝，遇到RU(45)即繞P軸旋轉(zhuǎn)45度，遇到B按旋轉(zhuǎn)后的應(yīng)方向畫一條直線，遇到“]”彈出 棧信息，分枝完畢，回到畫A后的狀態(tài)，遇到C在A后畫一條直線，遇到“[”將畫C后的龜信 息壓棧，遇到RU(-45)即繞(7軸旋轉(zhuǎn)-45度，遇到D按旋轉(zhuǎn)后的應(yīng)方向畫一條直線，遇到“]，， 彈出棧信息，分枝完畢，回到畫C后的狀態(tài)，最后遇到E在當(dāng)前狀態(tài)后往應(yīng)方向畫一條直線。圖4示出的是虛擬植物植株生長(zhǎng)過程的示意圖。由于觀測(cè)距離比較遠(yuǎn)，在低分辨 率下只能觀測(cè)到植物植株的生長(zhǎng)情況，無法清楚地觀測(cè)到具體某個(gè)器官的生長(zhǎng)情況，因此 只需要在虛擬植物植株上體現(xiàn)一些器官的生長(zhǎng)和凋落過程，不需要體現(xiàn)這些器官由小到大 的生長(zhǎng)過程。首先選定辣椒初始狀態(tài)的靜態(tài)三維模型，然后采用L文法得到關(guān)于辣椒生長(zhǎng) 規(guī)律的字符和產(chǎn)生式，接著利用龜形幾何將器官的靜態(tài)三維模型依次添加到初始狀態(tài)上， 從而可以將辣椒的發(fā)芽、分枝、長(zhǎng)葉、開花和結(jié)果等過程動(dòng)態(tài)地展示出來。由于L文法的結(jié) 果是一種迭代的表達(dá)式，因此在動(dòng)態(tài)三維模型上也體現(xiàn)出一種迭代的變化過程，即分枝前 的枝條從計(jì)算機(jī)視圖上被抹去，取而代之的分枝后的新枝條。當(dāng)展示分辨率為中分辨率時(shí)，利用靜態(tài)三維模型繪制出虛擬植物器官生長(zhǎng)過程的 動(dòng)態(tài)三維模型采用Morphing方法，按照以下步驟首先把虛擬植物器官原始狀態(tài)和目標(biāo)狀 態(tài)的靜態(tài)三維模型投影到單位球面上得到原始拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和目標(biāo)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；然后將投影在單 位球面上的兩個(gè)三維模型的拓?fù)錉顟B(tài)合并在一起構(gòu)成一個(gè)新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并將新的拓?fù)浣Y(jié) 構(gòu)映射回原來的兩個(gè)三維模型，這樣得到的兩個(gè)新的模型與原來的兩個(gè)模型具有相同的形 狀且共享相同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而建立原始拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和目標(biāo)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中頂點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系；最 后對(duì)原始拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和目標(biāo)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之間的對(duì)應(yīng)頂點(diǎn)進(jìn)行光滑插值，以繪制出虛擬植物器官 在中間狀態(tài)的動(dòng)態(tài)三維模型，動(dòng)態(tài)地顯示出虛擬植物器官的生長(zhǎng)變化過程。圖5-1示出的是采用Morphing方法虛擬辣椒果實(shí)生長(zhǎng)過程的示意圖，圖5_2示出 的是采用Morphing方法虛擬辣椒花朵生長(zhǎng)過程的示意圖。在中分辨率下顯示屏上只能展 示虛擬植物的某個(gè)具體器官的生長(zhǎng)變化，也就是說中分辨率下側(cè)重于觀測(cè)到虛擬植物的局 部變化，不能觀測(cè)到虛擬植物整個(gè)植株的生長(zhǎng)變化情況。當(dāng)展示分辨率為高分辨率時(shí)，利用靜態(tài)三維模型繪制出虛擬植物器官的靜態(tài)三維 模型的紋理。繪制植物紋理可以采用紋理合成和紋理映射技術(shù)，按照以下步驟從植物照 片上提取紋理樣圖，并通過紋理合成算法合成紋理后映射到虛擬植物器官的靜態(tài)三維模型 上，以得到虛擬植物器官的靜態(tài)三維模型的紋理。圖6-1示出的是能夠展示辣椒花朵靜態(tài) 三維模型的紋理的示意圖，圖6-2示出的是能夠展示辣椒葉片靜態(tài)三維模型的紋理的示意 圖。步驟S3中的各種算法都是作用在虛擬植物的靜態(tài)三維模型上繪制出能夠展示植 物生長(zhǎng)變化過程的動(dòng)態(tài)三維模型，只是在不同分辨率下各種算法的尺度不同，比如L文法 主要用于控制植株的分枝變化，Morphing方法主要用于控制植物器官的生長(zhǎng)變化，紋理合 成和紋理映射技術(shù)主要用于展示植物器官的細(xì)節(jié)特征，從而實(shí)現(xiàn)了多層次多分辨率地展示
8植物生長(zhǎng)變化的動(dòng)態(tài)過程。在進(jìn)行虛擬植物生長(zhǎng)過程的動(dòng)態(tài)展示中，可以采用單格步進(jìn)展示方式，即每一個(gè) 狀態(tài)展示需要接收到相應(yīng)指令后才往下進(jìn)行，也可以采用動(dòng)畫連續(xù)展示方式，即自動(dòng)連續(xù) 播放虛擬植物的生長(zhǎng)變化過程。在展示過程中三種分辨率可以互相切換，這種切換中需要記錄時(shí)間周期，具體而 言，在低分辨率下觀測(cè)虛擬植物整個(gè)植株的生長(zhǎng)變化時(shí)，如果想觀測(cè)某朵花的開放過程，可 以切換到中分辨率來觀測(cè)該花朵的生長(zhǎng)變化，此時(shí)的時(shí)間周期依舊正常向前運(yùn)行，因此觀 測(cè)完該花朵的開放過程后再切換回低分辨率觀測(cè)虛擬植物的植株時(shí)，看到的將是上述花朵 綻放之后的植株，其生長(zhǎng)變化的時(shí)間順序依然正確。在中分辨率觀測(cè)虛擬植物的器官時(shí)，也 可以切換到高分辨率來觀測(cè)虛擬植物器官生長(zhǎng)到某個(gè)特定階段時(shí)的紋理，這種紋理從微觀 上展現(xiàn)了虛擬植物器官的局部細(xì)節(jié)特征。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人 員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng) 視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
一種虛擬植物生長(zhǎng)的展示方法，其特征在于，按照以下步驟進(jìn)行根據(jù)植物生長(zhǎng)過程中的照片建立虛擬植物器官的靜態(tài)三維模型；根據(jù)觀測(cè)距離判斷展示分辨率為低分辨率、中分辨率或高分辨率；當(dāng)所述展示分辨率分別為低分辨率、中分辨率或高分辨率時(shí)，利用所述虛擬植物器官的靜態(tài)三維模型分別對(duì)應(yīng)地繪制出虛擬植物植株生長(zhǎng)過程的動(dòng)態(tài)三維模型、虛擬植物器官生長(zhǎng)過程的動(dòng)態(tài)三維模型或虛擬植物器官的靜態(tài)三維模型的紋理以進(jìn)行展示。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的虛擬植物生長(zhǎng)的展示方法，其特征在于，根據(jù)觀測(cè)距離判斷 展示分辨率為當(dāng)所述觀測(cè)距離大于等于預(yù)設(shè)的第一距離dmax時(shí)，所述展示分辨率判斷為低分辨率；當(dāng)所述觀測(cè)距離大于等于預(yù)設(shè)的第二距離dmin且小于所述第一距離dmax時(shí)，所述展示 分辨率判斷為中分辨率；當(dāng)所述觀測(cè)距離小于所述第二距離dmin時(shí)，所述展示分辨率判斷為高分辨率。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的虛擬植物生長(zhǎng)的展示方法，其特征在于，利用所述虛擬植物 器官的靜態(tài)三維模型繪制出虛擬植物植株生長(zhǎng)過程的動(dòng)態(tài)三維模型的步驟為用L文法中的字符表示虛擬植物的器官，并用所述L文法中的產(chǎn)生式表示虛擬植物植 株的生長(zhǎng)過程；通過龜形幾何對(duì)所述L文法進(jìn)行圖形解釋，從而對(duì)所述靜態(tài)三維模型進(jìn)行組裝以繪制 出虛擬植物植株生長(zhǎng)過程的動(dòng)態(tài)三維模型。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的虛擬植物生長(zhǎng)的展示方法，其特征在于，所述龜形幾何采用 方向符號(hào)RU、RR、RH，分別表示繞龜形幾何坐標(biāo)系的tK及、H軸旋轉(zhuǎn)，RH為生長(zhǎng)方向，每 個(gè)方向符號(hào)帶一個(gè)參數(shù)以表示旋轉(zhuǎn)的角度，順時(shí)針為正，逆時(shí)針為負(fù)，“[”、“]”為分枝符號(hào)， 即遇到“[”時(shí)壓棧保存當(dāng)前的狀態(tài)，遇到“]，，時(shí)將彈棧恢復(fù)上次壓棧信息，以實(shí)現(xiàn)虛擬植物 的分枝，還包括表示所述產(chǎn)生式的中間迭代信號(hào)量的臨時(shí)變量和表示虛擬植物器官的器官 變量。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的虛擬植物生長(zhǎng)的展示方法，其特征在于，利用所述虛擬植物 器官的靜態(tài)三維模型繪制出虛擬植物器官生長(zhǎng)過程的動(dòng)態(tài)三維模型采用Morphing方法， 其步驟為把虛擬植物器官原始狀態(tài)和目標(biāo)狀態(tài)的靜態(tài)三維模型投影到單位球面上得到原始拓 撲結(jié)構(gòu)和目標(biāo)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；建立所述原始拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和所述目標(biāo)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中頂點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系；對(duì)所述原始拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和所述目標(biāo)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之間的對(duì)應(yīng)頂點(diǎn)進(jìn)行光滑插值，以繪制出虛 擬植物器官生長(zhǎng)過程的動(dòng)態(tài)三維模型。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的虛擬植物生長(zhǎng)的展示方法，其特征在于，利用所述虛擬植物 器官的靜態(tài)三維模型繪制出虛擬植物器官的靜態(tài)三維模型的紋理的步驟為從植物照片上提取紋理樣圖，并通過紋理合成算法合成紋理后映射到所述虛擬植物器 官的靜態(tài)三維模型上以得到虛擬植物器官的靜態(tài)三維模型的紋理。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種虛擬植物生長(zhǎng)的展示方法，按照以下步驟進(jìn)行根據(jù)植物生長(zhǎng)過程中的照片建立虛擬植物器官的靜態(tài)三維模型；根據(jù)觀測(cè)距離判斷展示分辨率為低分辨率、中分辨率或高分辨率；當(dāng)展示分辨率分別為低分辨率、中分辨率或高分辨率時(shí)，利用虛擬植物器官的靜態(tài)三維模型分別對(duì)應(yīng)地繪制出虛擬植物植株生長(zhǎng)過程的動(dòng)態(tài)三維模型、虛擬植物器官生長(zhǎng)過程的動(dòng)態(tài)三維模型或虛擬植物器官的靜態(tài)三維模型的紋理以進(jìn)行展示。本發(fā)明能夠多分辨率、動(dòng)態(tài)地展示虛擬植物的生長(zhǎng)變化過程，同時(shí)滿足宏觀和微觀展示的需要，展示效果更加真實(shí)精確。
文檔編號(hào)G06T17/00GK101894388SQ20101020466
公開日2010年11月24日 申請(qǐng)日期2010年6月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月21日
發(fā)明者劉驥, 曾令秋, 朱慶生, 李松陽(yáng), 葛亮 申請(qǐng)人:重慶大學(xué)