[发明专利]园艺植物几何造型建模方法及系统

说明书

技术领域

本发明涉及计算机图形学中的三维建模技术领域，特别是涉及一种园艺植物几何造型建模方法及系统。

背景技术

自然景物的模拟是计算机图形学的一个主要的分支。植物形态的多样性和不规则性使得利用计算机生成逼真的植物模型是一个巨大的挑战。目前，三维植物建模的目的主要来自两个方面：一是农林植物研究上的需要，目的是在计算机上描述和可视化真实植物的生长和发展过程，强调所生成的植物形态结构应该遵循植物自身的生理过程；另一个是仅仅创造视觉上令人满意的植物形态，这方面的需要大部分来自于图形算法研究，以及景观设计、计算机动画、游戏等应用领域。

植物形态建模的开创性工作首先由Lindenmayer开启，他提出了著名的L-系统——一个描述植物拓扑结构的通用方法。随后，Smith和Prusinkiewicz等人为L-系统的完善和普及做了大量的工作，并开发了一个基于L-系统的三维植物建模软件L-studio。L-studio为利用L-系统模拟植物的结构和生长过程提供了一个可视化框架，大大减轻了使用L-系统的不便。L-studio为模拟植物生长提供了强大的功能，但由于L-系统的抽象性，难以直接控制所生成的植物模型，此外，L-studio提供的器官造型的细节描述不足，真实感有待增强，这方面的研究近年来仍在继续。

为满足景观设计、游戏等领域对逼真的植物模型的需要，德国Lintermann等人提出了基于组件式的三维植物结构交互式设计的概念，在他们的方法中，每个植物器官都是一个组件，每个组件都有一组参数，用来控制和调整器官的大小和形状。植物的拓扑结构和形态则通过组合器官组件构成。他们利用这种思想开发了植物建模软件Xfrog，该软件除了能够交互地设计各种植物的形态结构外，还可以通过中间帧插值的方法实现植物生长的动画模拟。不过，Xfrog主要应用于树类植物，因此在器官细节的描述上也有待增强。针对树木结构模拟的研究还有很多，包括静态的形态和动态运动，尤其是树木在风中的运动。近年来，随着计算机硬件技术的快速提高，模拟照片级的植物形态成为可能。这部分研究主要是植物器官尺度上的详细描述和真实感渲染。

值得注意的是，到目前为止已经有了很多针对树木结构的建模方法，由于树木往往比较高大，树木建模的重点在于分枝结构和整体形态，而非器官细节。尽管园艺植物生长模拟的研究近年来也获得了越来越多的关注，但这部分研究主要以生理功能模拟为主，数值的正确性是最重要的目标，而非视觉的真实性，因此，在这些模型中器官造型往往用很少的几个多边形表示。而在园艺植物形态结构交互式设计方面，目前仍然没有通用的方法和软件工具。

发明内容

本发明的目的在于为园艺植物形态结构的建模提供一种普适的方法，以便以一种相同的方法描述各种植物的器官造型，进而开发出交互式的园艺植物形态结构设计工具。

为达到上述目的，提供一种园艺植物几何造型建模方法，包括步骤：

S1，采用骨架表示植物器官的形状，并生成所述器官的网格曲面模型；

S2，设置植物形态结构的特征参数，并根据设置的特征参数生成植物的三维拓扑结构；

S3，对所述植物的三维拓扑结构进行结构调整和细节调整。

优选地，在所述步骤S1中，用轴骨架来表示具有圆柱体形状的器官；用半轮廓-轴骨架来表示具有对称结构的椭圆体器官，所述半轮廓-轴骨架由一根轴线和一根边缘线组成；用全轮廓-轴骨架来表示具有不规则边缘的薄片状器官，所述全轮廓-轴骨架由一根轴线和两根边缘线组成。

优选地，在步骤S1中，采用B样条曲线表示器官骨架中的轴线和边缘线，所述B样条曲线的控制点个数可以任意设定。

优选地，在所述步骤S1中，轴骨架器官或半轮廓-轴骨架器官的网格曲面模型通过利用绕轴线旋转的方式获得一系列的横截面数据点的方法构造而成。

优选地，对于全轮廓-轴骨架器官，其网格曲面模型利用Delaunay三角化方法实现三维空间中不规则多边形的三角化。

优选地，在所述步骤S2中，所述植物形态结构的特征参数包括植物主茎的节间个数、主茎长度、分枝个数和分枝节位，以及节间参数。

优选地，所述步骤S3包括对植物主茎和分枝的空间姿态的调整。

优选地，所述步骤S3还包括对器官的形态特征参数、空间姿态、颜色和纹理进行细微调整。

本发明还提供了一种园艺植物几何造型建模系统，包括：

器官造型几何描述单元，用于为各种园艺植物器官提供几何表示；

器官曲面生成单元，用于从所述植物的器官几何表示中生成该器官的网格曲面模型；