專利名稱：一種基于徑向基函數的植物三維形態虛擬建模方法
技術領域：
本發明涉及三維圖形處理技術，尤其是一種基于徑向基函數的植物三維形態虛擬建模方法。
背景技術：
植物三維形態真實感建模是計算機圖形學、虛擬現實領域的所面臨的重要問題，在農業信息技術領域也有廣闊的應用前景，以數字化、可視化的方式構建的植物三維形態虛擬結構模型，在景觀設計、動漫制作、虛擬農業、場景展示等典型方面得到應用。隨著計算機軟硬件技術的迅速發展，植物三維虛擬建模方法在建模真實感、建模精度和建模效率等方面都得到了很大的提高，計算機圖形學、虛擬現實等領域的理論方法為虛擬植物建模技術提供了有力的支撐。隨著現代信息技術的快速發展，各領域對植物建模的真實感和建模效率的要求都有了進一步的提升，特別是針對復雜植物器官的細節特征的有效表現問題，是當前虛擬植物建模領域的亟待解決的問題之一。近年來，三維激光掃描技術的迅速發展，使三維激光掃描設備逐步普及，引入三維激光掃描技術，實現植物細節特征的三維虛擬建模，對提升植物虛擬模型的真實感，具有重大的現實意義，對于推動虛擬植物在現代信息技術領域和農業信息領域更深層次的應用有著巨大的促進作用。植物器官三維形態結構異常復雜，植物器官細節特征難以使用有效的參數化方法和數學表達式來描述，傳統的建模方法和技術不足以準確表現植物器官形態的細節特征。三維激光掃描技術可有效捕捉植物器官的細節特征和表面三維形態結構特征，因此基于三維激光掃描儀構建植物三維虛擬模型是有效的解決方案，而由于激光掃描操作較為復雜，數據量也較大，因此基于激光掃描數據的植物建模面臨著掃描數據的變形問題，從而需要根據典型的植物掃描數據模型構建多樣化的植物三維形態模型。

發明內容
本發明提供一種基于徑向基函數的植物三維形態虛擬建模方法，用于解決現有技術中，對植物三維建模時，不足以準確表現植物器官形態的細節特征，而且操作復雜，效率低的問題。本發明提供的一種基于徑向基函數的植物三維形態虛擬建模方法，包括步驟SI，使用三維激光掃描儀對待建模的植物進行掃描，將掃描數據以三角網格的形式存儲；步驟S2，根據待建模的植物形態結構特征，在待建模的植物的每個器官的局部坐標系下，確定所述植物的形態結構的目標特征點，并根據各目標特征點之間的拓撲關系和距離確定目標特征點的二維展開平面坐標；步驟S3，以掃描數據的三角網格模型為建模數據源，在對應的掃描數據的三角網格模型上，通過所述目標特征點的二維展開平面坐標和三角網格頂點的二維展開平面坐標的歐氏距離，計算得出對應的網格特征點坐標；步驟S4，使用徑向基函數建立所述步驟S3中的網格特征點向目標特征點的映射關系，并計算三角網格模型上所有點的坐標的變形偏移量，然后根據所述的變形偏移量求得三角網格模型上所有點的坐標，最后實現網格模型的變形。進一步，本發明所述的植 物三維形態虛擬建模方法，所述步驟SI中，掃描數據包括三角網格的頂點坐標、三角網格的頂點法向、三角網格的頂點二維展開平面坐標和三角網格頂點索引。進一步，本發明所述的植物三維形態虛擬建模方法，所述步驟S3的三角網格頂點的二維展開平面坐標的獲得方法為步驟S301，求鄰域點權重；步驟S302，確定邊界點二維展開平面坐標；步驟S303，根據鄰域點權重和邊界點二維展開平面坐標求得三角網格頂點的新坐標；步驟S304，迭代求解后，得出三角網格頂點的二維展開平面坐標。進一步，本發明所述的植物三維形態虛擬建模方法，所述步驟S3中，所述網格特征點坐標的計算方法為循環計算所有的三角網格頂點，將選取的目標特征點的二維展開平面坐標與所有的三角網格頂點的二維展開平面坐標比較，把歐氏距離最小的三角網格頂點作為與該目標特征點對應的網格特征點，進而確定網格特征點的坐標。進一步，本發明所述的植物三維形態虛擬建模方法，所述步驟S4還包括步驟S401，計算求得網格特征點坐標的變形偏移量；步驟S402，計算求得三角網格模型上所有點坐標的變形偏移量；步驟S403，根據三角網格模型上所有點坐標的變形偏移量，求得三角網格模型上所有點的坐標；步驟S404，根據三角網格模型上所有點坐標完成植株三維建模。進一步，本發明所述的植物三維形態虛擬建模方法，所述步驟S401中，網格特征點坐標的變形偏移量的計算方法為定義目標特征點總數計為N，對應的網格特征點總數同為N，定義目標特征點計為^(/ = 1,2,···,N)，網格特征點為6Μα = 1，2，···，Λ0，萬(/ = ι，2，··均力網格特征點的變形偏移量，根據公式
權利要求
1.一種基于徑向基函數的植物三維形態虛擬建模方法，其特征在于，包括 步驟Si，使用三維激光掃描儀對待建模的植物進行掃描，將掃描數據以三角網格的形式存儲； 步驟S2，根據待建模的植物形態結構特征，在待建模的植物的每個器官的局部坐標系下，確定所述植物的形態結構的目標特征點，并根據各目標特征點之間的拓撲關系和距離確定目標特征點的二維展開平面坐標； 步驟S3，以掃描數據的三角網格模型為建模數據源，在對應的掃描數據的三角網格模型上，通過所述目標特征點的二維展開平面坐標和三角網格頂點的二維展開平面坐標的歐氏距離，計算得出對應的網格特征點坐標； 步驟S4，使用徑向基函數建立所述步驟S3中的網格特征點向目標特征點的映射關系，并計算三角網格模型上所有點的坐標的變形偏移量，然后根據所述的變形偏移量求得三角網格模型上所有點的坐標，最后實現網格模型的變形。
2.根據權利要求1所述的植物三維形態虛擬建模方法，其特征在于，所述步驟SI中，掃描數據包括三角網格的頂點坐標、三角網格的頂點法向、三角網格的頂點二維展開平面坐標和二角網格頂點索引。
3.根據權利要求2所述的植物三維形態虛擬建模方法，其特征在于，所述步驟S3的三角網格頂點的二維展開平面坐標的獲得方法為 步驟S301，求鄰域點權重； 步驟S302，確定邊界點二維展開平面坐標； 步驟S303，根據鄰域點權重和邊界點二維展開平面坐標求得三角網格頂點的新坐標； 步驟S304，迭代求解后，得出三角網格頂點的二維展開平面坐標。
4.根據權利要求3所述的植物三維形態虛擬建模方法，其特征在于，所述步驟S3中，所述網格特征點坐標的計算方法為循環計算所有的三角網格頂點，將選取的目標特征點的二維展開平面坐標與所有的三角網格頂點的二維展開平面坐標比較，把歐氏距離最小的三角網格頂點作為與該目標特征點對應的網格特征點，進而確定網格特征點的坐標。
5.根據權利要求4所述的植物三維形態虛擬建模方法，其特征在于，所述步驟S4還包括 步驟S401，計算求得網格特征點坐標的變形偏移量； 步驟S402，計算求得三角網格模型上所有點坐標的變形偏移量； 步驟S403，根據三角網格模型上所有點坐標的變形偏移量，求得三角網格模型上所有點的坐標； 步驟S404，根據三角網格模型上所有點坐標完成植株三維建模。
6.根據權利要求5所述的植物三維形態虛擬建模方法，其特征在于，所述步驟S401中，網格特征點坐標的變形偏移量的計算方法為 定義目標特征點總數計為N，對應的網格特征點總數同為N，定義目標特征點計為Pi^i = 1,2,--,N),網格特征點為/^0 = 1，2，--，馬忑(/ = 1,2,■■·，#)為網格特征點的變形偏移量，根據公式Pi=Pf-S l/ (i = 1,2, - ,N)求得變形偏移量芳
7.根據權利要求6所述的植物三維形態虛擬建模方法，其特征在于，所述步驟S402中，三角網格模型上所有點坐標的變形偏移量的計算方法為 使用徑向基函數插值方法計算三角網格模型上所有點坐標的變形偏移量，插值基函數選用多二次函數，利用徑向基函數插值表達式
8.根據權利要求1至7任意一項所述的植物三維形態虛擬建模方法，其特征在于，所述步驟SI中，掃描數據的儲存格式為“.OBJ”。
9.根據權利要求8所述的植物三維形態虛擬建模方法，其特征在于，所述植物包括玉米、黃瓜、煙草、水稻、小麥。
10.根據權利要求9所述的植物三維形態虛擬建模方法，其特征在于，所述植物的器官包括葉片、莖節、果實、雌穗、雄穗。
全文摘要
本發明提供一種基于徑向基函數的植物三維形態虛擬建模方法，利用三維激光掃描植株圖像數據，數據以三角網格的形式存儲，以特定植物的骨架和器官拓撲結構為變形約束，使用徑向基插值函數(RBF，Radial basis function)，實現掃描數據的變形，從而實現目標植物模型的構建，大幅提高了植物器官三維形態虛擬建模的細節真實感，同時方法簡便，具有較高的效率。
文檔編號G06T17/00GK103049932SQ20121056080
公開日2013年4月17日 申請日期2012年12月20日 優先權日2012年12月20日
發明者肖伯祥, 郭新宇, 吳升, 溫維亮, 杜建軍 申請人:北京農業信息技術研究中心