[发明专利]一种基于物理模型的植物叶片萎蔫模拟方法

说明书

技术领域

本发明涉及计算机模拟技术领域，特别涉及一种基于物理模型的植物叶片萎蔫模拟方法。

背景技术

植物的形态结构建模及其行为特性模拟是计算机图形学、数字植物领域的重要研究内容。众所周知，植物的形态是一个动态发展的过程，在不同环境条件和人为因素的影响，植物的拓扑结构会产生显著的变化。叶子作为植物的重要器官，其形态也会随着外部环境及其内部生理进程而发生十分显著的变化，比如缺水、缺氧、高温、病害等因素都可能引起植物叶片发生卷曲、萎蔫等明显的变形。在数字植物领域内，对于植物特性的智能表达是较基础性的工作，其对完善数字植物技术体系、增强数字植物与农业研究应用的联系起到重要作用。本发明旨在开发植物叶片的萎蔫模拟方法，具有重要的意义。

近几年，植物叶片萎蔫模拟的方法得到了一定的发展，目前主要分为基于骨架变形和基于物理变形两类方法。Lu等人提出的基于骨架变形的方法首先构造叶片的叶脉骨架(S.Lu，C.Zhao，X.Guo，et al.Venation Skeleton-Based Modeling Plant Leaf Wilting，International Journal of Computer Games Technology，vol.2009，Article ID 890917)，将骨架看作为通过线段连接的骨骼链，然后通过设定骨骼的移动方法来驱动叶片的变形。这类方法可以得到较为真实的效果，但该模型不具备任何物理意义，完全靠用户的交互操作产生萎蔫状的植物叶片形态。公开号为101251932的中国专利“基于物理的植物叶子模拟方法”公开了基于物理的方法首先构造叶片的物理结构(由于叶片的材质特点，采用质点弹簧模型)，然后通过设置物理属性、施加外力或更改初始条件等方法来实现叶片的动态变形，这种方法较之前者更能反映叶片的物理属性，结果更加真实可信。但是，该方法采用的质点弹簧连接方法不是稳定的连接方法；同时，其采用的积分方法都是显式方法，模拟中往往需要设置非常小的步长，导致整个模拟过程需要非常长的时间(1小时以上)，难以满足进行高精度或大变形实时可视化模拟的需要。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何提供一种基于物理模型的植物叶片萎蔫模拟方法，以提高叶片模型中质点弹簧连接的稳定性，从而使叶片萎蔫的模拟效果更具真实感。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于物理模型的植物叶片萎蔫模拟方法，其包括步骤：

A：构建三维植物叶片模型的体素集，所述体素集包括多个用于模拟植物叶片叶肉内部细胞的六面体单元；

B：将所述体素集转化为质点弹簧模型；

C：对所述质点弹簧模型施加外力后，模拟计算所述六面体单元中各个顶点的位移；

D：根据所述六面体单元中各个顶点的位移，插值出所述叶片模型中三角网格的顶点的坐标。

优选地，所述步骤A具体包括步骤：

A1：对叶片模型中的三角网格进行八叉树空间分割得到空间八叉树；

A2：计算所述叶片模型的空间包围盒，将所述空间包围盒分成多个六面体单元；

A3：遍历所有所述六面体单元，依次判断每个所述六面体单元与所述空间八叉树的子树空间是否相交，如果是，保留当前的所述六面体单元；否则，舍弃当前的所述六面体单元；

A4：遍历所有保留的所述六面体单元，依次判断每个所述六面体单元与所述子树空间内的三角网格是否相交，如果是，选中当前的所述六面体单元；否则，舍弃当前的所述六面体单元；

A5：利用所有选中的所述六面体单元构建所述叶片模型的体素集，并且记录所有选中的所述六面体单元中包含的三角网格的顶点的索引信息。

优选地，所述质点弹簧模型由多个弹簧构成；所述弹簧由所述六面体单元中的任意两个顶点连接构成，所述弹簧两端的顶点记作质点。

优选地，所述弹簧的内力公式如下：

E＝k_s(|x_ij|-L)²；

其中，E表示质点i和质点j之间的能量，x_ij表示质点i和质点j的向量差，L表示质点i和质点j之间的初始距离，k_s表示包含质点i和质点j的弹簧的劲度系数。

优选地，所述质点弹簧模型的物理动力学方程如下：

Ma+D(u，v)+R(u)＝F；