專利名稱：結(jié)合靜態(tài)結(jié)構(gòu)利用計算機繪制動態(tài)3d植物的方法
技術領域：
本發(fā)明屬于虛擬現(xiàn)實及計算機繪圖技術領域，特別涉及利用計算機繪制動態(tài)3D植物的方法。本發(fā)明可應用于數(shù)字農(nóng)林業(yè)、數(shù)字娛樂、景觀設計。
背景技術：
虛擬植物是三維(3D)場景中的重要內(nèi)容，在計算機游戲、電影特效制作、景觀設計等領域中被普遍用到。隨著計算機軟硬件技術的發(fā)展，進行復雜虛擬植物場景的高真實感快速繪制已經(jīng)成為可能。相比之下，應用于上述場合的虛擬植物的3D形態(tài)基本還來源于交互式的手工設計以及計算機模擬。計算機模擬產(chǎn)生的虛擬植物能夠產(chǎn)生復雜的精細結(jié)構(gòu)，但形態(tài)一般比較規(guī)則。然而，現(xiàn)實世界中的植物結(jié)構(gòu)姿態(tài)豐富，一般來說，除了一兩年生的植物的頂部枝條以外，諸如成年樹木等的結(jié)構(gòu)，由于剪枝、枝條脫落等過程，很難通過觀察來實現(xiàn)樹木從幼樹到成年樹的動態(tài)模擬。因此，難以對實際樹木進行從小樹到成年樹的動態(tài)模擬。近年來，基于三維激光掃描獲得樹木的點云數(shù)據(jù)，再由點云重建樹木結(jié)構(gòu)的研究呈上升趨勢，可以獲得實際樹木形態(tài)，初步估計樹木主干的直徑，以及推算樹冠內(nèi)部枝條的連接關系。這類研究被應用于城市景觀構(gòu)建，以及森林的材積評估。其優(yōu)勢是對于剪枝、枝條脫落等而導致的樹木不規(guī)則形態(tài)，可通過重建直接得到，不需要對過程建模。然而，基于三維激光掃描儀得到的是靜態(tài)的植物結(jié)構(gòu)，不能模擬植物的動態(tài)生長，不能滿足根據(jù)掃描結(jié)果對未來進行預測的需求。其他獲得樹木靜態(tài)結(jié)構(gòu)的方法還有利用多幅圖像進行重建的方法，利用深度圖的骨架提取方法，以及純粹的手工交互設計。其優(yōu)缺點亦同上。

發(fā)明內(nèi)容
(一 )要解決的技術問題本發(fā)明提出一種利用計算機繪制動態(tài)3D植物的方法，以解決對于虛擬植物的靜態(tài)結(jié)構(gòu)和動態(tài)模擬不能很好地結(jié)合的問題，為3D虛擬植物的形態(tài)設計、生長預測等提供一種新的途徑。( 二 )技術方案為解決上述技術問題，本發(fā)明提出一種利用計算機繪制動態(tài)3D植物的方法，其特征在于，包括如下步驟S1、建立3D植物的靜態(tài)結(jié)構(gòu)；S2、對所述3D植物的靜態(tài)結(jié)構(gòu)進行幾何信息和拓撲信息的定量描述；S3、在所述植物上確定新枝條生長點，以及每個生長點的幾何和拓撲生長參數(shù)；S4、在所述3D植物的靜態(tài)結(jié)構(gòu)的生長點上，根據(jù)每個生長點的生長參數(shù)進行新枝條的動態(tài)模擬；S5、根據(jù)上述植物的靜態(tài)結(jié)構(gòu)和動態(tài)模擬計算結(jié)果來繪制所述3D虛擬植物。
根據(jù)本發(fā)明的一種具體實施方式
，在所述步驟S3對所述植物的動態(tài)模擬計算的過程中，對所述的3D植物的靜態(tài)結(jié)構(gòu)進行更新。根據(jù)本發(fā)明的一種具體實施方式
，所述步驟S3的更新步驟包括所述樹木靜態(tài)結(jié)構(gòu)中的節(jié)間直徑根據(jù)該節(jié)間上方葉子數(shù)目按比例增加。根據(jù)本發(fā)明的一種具體實施方式
，所述步驟SI中獲得3D植物的靜態(tài)結(jié)構(gòu)的步驟可以利用3D激光掃描或交互設計方法建立靜態(tài)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)后輸入計算機。根據(jù)本發(fā)明的一種具體實施方式
，所述拓撲信息包括枝條之間的連接關系以及枝條內(nèi)部不同節(jié)間之間的連接關系，幾何信息包括枝條的空間角度和所有節(jié)間直徑。根據(jù)本發(fā)明的一種具體實施方式
，所述步驟S4中的動態(tài)模擬指在靜態(tài)結(jié)構(gòu)中每個生長點處的新枝條的模擬，每個新枝條相當于一個獨立的植物，采用相同的生長模型，僅模型參數(shù)不同。(三)有益效果本發(fā)明充分利用靜態(tài)結(jié)構(gòu)建模，能夠獲得虛擬3D植物形態(tài)豐富的主要枝干造型；同時，本發(fā)明對植物學規(guī)律比較明顯、受外界干擾小的植物枝條進行動態(tài)模擬，可以較快地獲得豐富的植物細節(jié)，而且可以模擬并繪制3D植物形態(tài)的動態(tài)變化。


圖1是本發(fā)明的利用計算機繪制動態(tài)3D植物的方法的流程圖；圖2是本發(fā)明一個實施例所建立的一棵樹的靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖；圖3是本發(fā)明一個實施例的靜態(tài)起始樹木結(jié)構(gòu)的骨架示意圖；圖4是本發(fā)明一個實施例的生長點的交互選取示意圖；圖5是本發(fā)明一個實施例的根據(jù)生長點的信息而產(chǎn)生的新的植物骨架示意圖；圖6是本發(fā)明一個實施例的基于靜態(tài)結(jié)構(gòu)的植物動態(tài)繪制圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明作進一步的詳細說明。圖1是本發(fā)明的利用計算機繪制3D動態(tài)植物的方法的流程圖。如圖1所示，本發(fā)明的方法包括如下步驟SI S5 :S1、建立3D植物的靜態(tài)結(jié)構(gòu)。本發(fā)明中的靜態(tài)結(jié)構(gòu)是特指以枝干的空間點位置描述的樹木某一時刻的幾何形態(tài)。靜態(tài)結(jié)構(gòu)可以包括葉子，也可以不包括葉子。建立3D植物的靜態(tài)結(jié)構(gòu)的方法可以有多種，包括利用三維激光掃描手段獲得真實植物的靜態(tài)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，基于多幅圖像進行重建的方法，或者通過人工交互式操作的構(gòu)建方法等。下面，我們通過一個實施例來說明，該實施例是利用計算機來繪制3D樹的方法。圖2所示為該實施例所建立的一棵樹的靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖。如圖所示，該樹包括一個主干，在主干的頂部分出三個分枝，三個分枝上又分出多個枝條。S2、對所建立的3D植物的靜態(tài)結(jié)構(gòu)進行幾何信息和拓撲信息的定量描述。將靜態(tài)的植物結(jié)構(gòu)從空間上劃分為植物學單位葉元進行描述。一個葉元包括一個節(jié)，一個節(jié)間，每個節(jié)上著生一片或多片葉子，以及相應數(shù)量的腋芽。節(jié)間指枝干上兩片連續(xù)產(chǎn)生的葉子之間的部分。拓撲信息是指植物枝條之間的連接關系以及枝條內(nèi)部的不同節(jié)間之間的連接關系。幾何信息是指所有節(jié)間的空間角度和節(jié)間直徑。對于不具有葉元信息僅具有枝條長度的原始靜態(tài)結(jié)構(gòu)，則通過指定節(jié)間長度將整個結(jié)構(gòu)進行劃分。圖3示出了對于圖2創(chuàng)建的樹的靜態(tài)結(jié)構(gòu)進行幾何信息和拓撲信息的定量描述后得到的植物骨架示意圖。在說明圖3前，需要明確本發(fā)明中的幾個概念，即生長軸和芽。在本發(fā)明中，生長軸是指一個枝條中不包含分枝的主軸部分，由節(jié)間構(gòu)成，芽是指側(cè)生在節(jié)間頂端的可以產(chǎn)生新的枝條的部分。如圖3所示，該樹可分解為不同的生長軸，每個生長軸包含有一定數(shù)量的節(jié)間，每 個節(jié)間可以著生包含O個或O個以上芽或生長軸。圖3所示的結(jié)構(gòu)可用現(xiàn)有的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)描述，如下。
AXIS
Unt ID;//$長— 標IR;
int len;//所包含的葉元個數(shù)； METAMER I(Ict) ; //所包含的葉元列表
I其中，ID為生長軸的唯一數(shù)字標識。Ien為生長軸中包含的葉元個數(shù)。M(Iength)為對每個葉元的具體描述。其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)MEIAMER的描述如下
Mf-TAMf-R
lint ID; //葉元標識; float Ml α 4); //節(jié)隨幾何變換矩陣 Π Oa I M2 a 'I); //側(cè)生枝條的生長軸Ι Λ何變換矩陣； float So⑵;//節(jié)M的長度和立徑}如上數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包含了生長軸之間的連接關系，以及每個生長軸內(nèi)的節(jié)間大小。S3、在所述植物上確定生長點，以及每個生長點的生長參數(shù)。所謂生長點是指從靜態(tài)植物結(jié)構(gòu)開始新枝條生長的地方，生長參數(shù)指用于構(gòu)建動態(tài)植物結(jié)構(gòu)的模型參數(shù)，模型指能夠產(chǎn)生動態(tài)植物結(jié)構(gòu)的雙尺度自動機或L系統(tǒng)，生長參數(shù)包括控制每類芽在每個時間單元所產(chǎn)生的節(jié)間個數(shù)與方向的結(jié)構(gòu)參數(shù)，以及控制節(jié)間以及其他器官大小的功能參數(shù)。每個生長點上生長的枝條視為由同一個生長模型并行運行而產(chǎn)生的獨立生長的小樹。生長點及其生長參數(shù)的確定可以通過經(jīng)驗公式來計算，或者通過人與計算機的交互式操作來指定。在上述實施例中，圖4顯示了其通過交互式選擇確定的生長點的位置。并且，每個生長點設置相同的生長參數(shù)，即每個芽產(chǎn)生10到15個節(jié)間，頂部的1-5個節(jié)間包含一個相同的芽，芽產(chǎn)生的生長軸的插入角與母枝的角度均為30度。S4、在所述3D植物的靜態(tài)結(jié)構(gòu)的生長點上，根據(jù)每個生長點的生長參數(shù)對生長物的生長進行動態(tài)模擬計算。根據(jù)本發(fā)明，可以借鑒單株植物的形態(tài)模擬技術，使得靜態(tài)結(jié)構(gòu)上分枝的動態(tài)模擬過程類似于由單株植株構(gòu)成的植物群體的模擬等。在上述實施例中，每個生長點位置產(chǎn)生了一個新的枝條。由于所有生長點位置同時形成新的枝條，使得植物頂部形成了新的樹冠，如圖5所示。在該步驟中，在對所述植物的動態(tài)模擬計算的過程中，可以對所述的3D植物的靜態(tài)結(jié)構(gòu)進行更新。考慮到靜態(tài)結(jié)構(gòu)與動態(tài)模擬的結(jié)構(gòu)屬于同一個植物整體，因此動態(tài)結(jié)構(gòu)的模擬會影響到已有的靜態(tài)結(jié)構(gòu)，例如直徑的增粗。根據(jù)本發(fā)明，建立動態(tài)模擬對植物靜態(tài)結(jié)構(gòu)的反饋機制，即靜態(tài)結(jié)構(gòu)中的節(jié)間直徑跟據(jù)動態(tài)結(jié)構(gòu)中的葉子樹木按比例增加。在上述實施例中，圖6展示了對應于圖5骨架的植物三維形態(tài)，其中如圖所示的靜態(tài)結(jié)構(gòu)部分的節(jié)間直徑已經(jīng)根據(jù)上方葉子數(shù)目增加。S5、最后，根據(jù)上述植物的靜態(tài)結(jié)構(gòu)和動態(tài)模擬計算結(jié)果來繪制所述3D虛擬植物。根據(jù)本發(fā)明，還可以在計算機中對上述植物的靜態(tài)結(jié)構(gòu)和動態(tài)模擬計算結(jié)果進行保存。以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權利要求
1.一種利用計算機繪制動態(tài)3D植物的方法，其特征在于，包括如下步驟51、建立3D植物的靜態(tài)結(jié)構(gòu)；52、對所述3D植物的靜態(tài)結(jié)構(gòu)進行幾何信息和拓撲信息的定量描述；53、在所述植物上確定新枝條生長點，以及每個生長點的幾何和拓撲生長參數(shù)；54、在所述3D植物的靜態(tài)結(jié)構(gòu)的生長點上，根據(jù)每個生長點的生長參數(shù)進行新枝條的動態(tài)模擬；55、根據(jù)上述植物的靜態(tài)結(jié)構(gòu)和動態(tài)模擬計算結(jié)果來繪制所述3D虛擬植物。
2.如權利要求1所述的利用計算機繪制動態(tài)3D植物的方法，其特征在于在所述步驟S3對所述植物的動態(tài)模擬計算的過程中，對所述的3D植物的靜態(tài)結(jié)構(gòu)進行更新。
3.如權利要求2所述的利用計算機繪制動態(tài)3D植物的方法，其特征在于，所述步驟S3 的更新步驟包括所述樹木靜態(tài)結(jié)構(gòu)中的節(jié)間直徑根據(jù)該節(jié)間上方葉子數(shù)目按比例增加。
4.如權利要求1所述的利用計算機繪制動態(tài)3D植物的方法，其特征在于，所述步驟SI 中獲得3D植物的靜態(tài)結(jié)構(gòu)的步驟可以利用3D激光掃描或交互設計方法建立靜態(tài)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)后輸入計算機。
5.如權利要求1所述的利用計算機繪制動態(tài)3D植物的方法，其特征在于，所述拓撲信息包括枝條之間的連接關系以及枝條內(nèi)部不同節(jié)間之間的連接關系，幾何信息包括枝條的空間角度和所有節(jié)間直徑。
6.如權利要求1所述的利用計算機繪制動態(tài)3D植物的方法，其特征在于，所述步驟S4 中的動態(tài)模擬指在靜態(tài)結(jié)構(gòu)中每個生長點處的新枝條的模擬，每個新枝條相當于一個獨立的植物，采用相同的生長模型，僅模型參數(shù)不同。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種利用計算機繪制動態(tài)3D植物的方法，包括如下步驟建立3D植物的靜態(tài)結(jié)構(gòu)；對所建立的3D植物的靜態(tài)結(jié)構(gòu)進行幾何信息和拓撲信息的定量描述；在所述植物上確定生長點，以及每個生長點的生長參數(shù)；在所述3D植物的靜態(tài)結(jié)構(gòu)的生長點上，根據(jù)每個生長點的生長參數(shù)對生長物的生長進行動態(tài)模擬計算；根據(jù)上述植物的靜態(tài)結(jié)構(gòu)和動態(tài)模擬計算結(jié)果來繪制所述3D虛擬植物。本發(fā)明能夠繪制形態(tài)豐富的3D植物。
文檔編號G06T13/60GK103021012SQ201210593039
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月31日 優(yōu)先權日2012年12月31日
發(fā)明者康孟珍 申請人:中國科學院自動化研究所, 東莞中國科學院云計算產(chǎn)業(yè)技術創(chuàng)新與育成中心