专利名称：一种玉米雄穗三维形态虚拟建模方法
技术领域：
本发明涉及计算机图形学中三维建模和虛拟农业技术领域，特别 是涉及农作物三维形态虛拟建模与数字化设计技术领域。
背景技术：
在我国，农业是国民经济的基础，进入二十一世纪以来，现代信 息技术在农业领域得到广泛应用，农业信息化已经成为现代农业发展 的重要标志和特征，也是农业现代化的重要组成部分。随着农业信息化技术的快速发展，新兴的虛拟现实技术在农业领 域也越来越多地得到应用，特别值得一提的是，虛拟农业已经成为我 国农业发展的一个重要趋势，虛拟农业不但可以将农业作物数字化， 而且还能够为科研人员提供方便的交互性操作与观察，对于推动农业 发展有着巨大的作用。虛拟现实技术在农业领域的广泛应用，在计算 机上以三维可视的方式分析、研究和设计农作物的形态结构和生长过 程已经成为可能，对农作物形态结构的研究已经进入到数字化、可视 化的阶段。作物数字化设计研究中一个重要的基础工作是植株或器官 的形态建模，玉米因其结构简单、形态特征明显等原因引起了研究者 较大的兴趣，关于玉米叶片、根系几何造型的研究已取得了较大成果。 雄穗是玉米主要器官之一，发挥着重要的生理功能，且其形态在品 种间存在着显著的差异，因而玉米雄穗几何造型和数字化设计对于玉 米的虛拟化研究具有较为重要的意义。然而，目前尚无关于玉米雄穗 几何造型和数字化设计方面的成熟方法，传统的计算机辅助设计建模 方法和通用建模软件工具难以适应特定需求的玉米雄穗模型的构建， 而且不具有作物生理特征，不符合农业知识背景。因此，将现代计算 机图形技术与现代农业科学和生产过程相结合，根据农作物数据建模4需求，通过分析玉米雄穗的形态结构特征，构造出符合农业知识和玉 米生长、生理特性的描述玉米雄穗三维形态的数学模型，实现可用、 实用的专业建模方法，开发实用工具具有重要的实际意义和广阔的应 用前景。发明内容本发明的目的是将现代计算机图形技术和农业信息化相结合，提 出一种基于农业知识和生长、生理特征的玉米雄穗三维形态建模方法 和原型系统，特别是提供 一种玉米雄穗三维形态虛拟建模方法。为达到上述目的，本发明的技术方案提供一种玉米雄穗三维形态 虛拟建模方法，具体实现步骤如下(1) 确定特征参数分析玉米雄穗形态结构，结合玉米生理、 生长特征，确定玉米雄穗三维形态结构特征参数；(2) 玉米雄穗空间拓扑结构建模釆用一组参数进行数学表述 和参数化建模，使用一组直线段的组合模型表示雄穗空间拓扑结构；(3) 玉米雄穗分枝建模根据雄穗分枝使用的参数值，将雄穗 主轴在最高位分枝以上的部分看成是一个分枝，将分枝空间姿态用分 枝曲线来描述；使用沿一条折线段进行放样的棱柱模拟雄穗分技的三 维形态，其中折线段中的一段即为分枝节；(4) 玉米雄穗小穗建模小穗成对着生在分枝上，釆用一个多 面体模拟小穗形态，所述多面体可分解为至少两个棱锥的组合，使用 的特征参数包括多面体的每个顶点，通过对小穗变换，使每一个小穗 在分枝上的着生点与分技上的小穗生长点重合，并且方向与分枝上该 小穗生长点处的切线方向一致；(5) 玉米雄穗三维形态显示针对玉米品种，设置模型参数， 在微机上实现玉米雄穗的三维形态模型显示。其中，所述步骤(1)中特征参数包括雄穗长，最低位分枝主轴 长，分枝数，分枝长度，分枝姿态，分枝高度角，分枝方向角以及小穗密度。其中，所述步骤(2)中一组参数包括主轴长度、分技数目、分 技在主轴上着生位置、分技与主轴的夹角和分枝方位角。其中，所述步骤(3)中参数值包括分枝长、弯曲程度和分枝节数。其中，所述步骤(4)中小穗变换包括对称，平移，或旋转。 上述技术方案阐述了玉米雄穗三维形态建模方法的实施内容和 过程，完成建模后，设计相应的数据结构及确定参数，即可重构出玉 米雄穗的三维形态。根据上述的玉米雄穗的数学描述，在微机上开发 玉米雄穗的数字化设计系统，即可实现具有较强真实感的玉米雄穗效 果图。并且，本发明建立的虛拟模型可控性强，易于操作，可满足玉 米雄穗数字化设计的需要。
图l是本发明玉米雄穗三维形态虛拟建模方法流程示意图； 图2是本发明玉米雄穗三维空间拓扑结构示意图； 图3是本发明玉米雄穗分技形态结构描述示意图； 图4是本发明玉米雄穗小穗模型示意图；图5是本发明重建的玉米雄穗三维形态虛拟模型示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式
作进一步详细 描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。本发明提供一种玉米雄穗三维形态虛拟建模方法，具体实施方式
和步骤如下以某玉米品种为研究对象，设定一系列玉米雄穗三维形态结构特 征参数，在本实施例中，所设定参数包括 雄穗长60cm 最低位分枝主轴长23.5cm616cm 分技姿态直 分技主轴角度56度 小穗密度中针对该品种的玉米雄穗三维形态结构特征参数进行三维建模，主 要按如下步骤进行(1) 玉米雄穗的空间拓扑结构设计与建模用一组参数进行数学表述和参数化建模，如图2所示，并使参数 主轴长度、分技数目、分技在主轴上着生位置、分技与主轴的夹角和 分枝方位角满足相应的参数限制。具体实现方法如下在建立坐标系 时，设定雄穗主轴竖直向上，主轴方向与Z轴一致，主轴末端(与茎 相连点)位于原点，并确定X、 Y轴方向(图2)，引入以下几个参 数来描述雄穗的拓扑结构雄穗最高位恻技以下的主轴长度H、分枝 数(包括主轴)N、各分枝在主轴上着生高度hk(k-l, 2...， N)、分 技与主轴夹角Gk(k=l， 2..., N)(分枝的底端切向与竖直方向的夹 角)、分枝方位角(ok(k=l, 2..., N)(分枝的底端切向与坐标系X 轴方向的夹角)。由以上各参数即可确定玉米雄穗的拓扑结构和基本 形态。(2) 玉米雄穗分枝造型与建模根据雄穗分技使用的描述参数值，以及建立的玉米雄穗的拓扑结 构模型，使参数满足形态限制。之后将初始的分技模型进行对称，旋 转以及平移等变换。具体实现方法如下将分枝的下端点设为原点，以Z轴方向为分 枝下端点处的切线方向，在XOZ平面内构造分技曲线。假定分枝上 小穗均匀着生，则可用一组等长的折线段来近似分枝曲线，并假定在 每段线段端点处(节处)着生一对小穗(图3)。在本实施例中，使用沿一条折线段进行放样的四棱柱模拟雄穗分技的三维形态。这样， 分枝曲线的形态即由分技长、弯曲程度、分枝节数(即着生小穗数目Num) 3个参数所决定，其中每一段分枝节的长度(d)可以根据分 枝长和分技节数求得，弯曲程度可以通过每一段分技节的偏角[ai (i=0， l...， Num)]来表示，修改参数即可生成不同的分枝曲线形态。 (3)玉米雄穗小穗造型与建模在本实施例中，釆用一个八面体来模拟小穗形态，该八面体可分 解为两个四棱锥的组合，确定使用的特征参数即六个八面体的顶点， 使之满足形态要求。此外，可以根据模拟的雄穗形态的复杂度，扩展 为使用其他的形态的多面体替换。具体实现方法如下如附图4所示， PO顶点为小穗着生点，这一点与分枝上的小穗生长点G重合，P0-P5这6个点确定了小穗的个体形态，通过对小穗的堆成、平移、旋 转等变换，使每一个小穗的PO点与分技上的小穗生长点G重合，并 且方向与分枝上该小穗生长点处的切线方向 一致。经过以上建模过程和步骤，根据玉米雄穗的生理特征，设定相应 的虛拟模型三维形态特征参数，利用建模系统平台，最终能够获得特 定品种的三维玉米雄穗虛拟模型，如图5所示。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领 域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以 做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。
权利要求
1、一种玉米雄穗三维形态虚拟建模方法，其特征在于，包括以下步骤(1)确定特征参数分析玉米雄穗形态结构，结合玉米生理、生长特征，确定玉米雄穗三维形态结构特征参数；(2)玉米雄穗空间拓扑结构建模采用一组参数进行数学表述和参数化建模，使用一组直线段的组合模型表示雄穗空间拓扑结构；(3)玉米雄穗分枝建模根据雄穗分枝使用的参数值，将雄穗主轴在最高位分枝以上的部分看成是一个分枝，将分枝空间姿态用分枝曲线来描述；使用沿一条折线段进行放样的棱柱模拟雄穗分枝的三维形态，其中折线段中的一段即为分枝节；(4)玉米雄穗小穗建模小穗成对着生在分枝上，采用一个多面体模拟小穗形态，所述多面体可分解为至少两个棱锥的组合，使用的特征参数包括多面体的每个顶点，通过对小穗变换，使每一个小穗在分枝上的着生点与分枝上的小穗生长点重合，并且方向与分枝上该小穗生长点处的切线方向一致；(5)玉米雄穗三维形态显示针对玉米品种，设置模型参数，在微机上实现玉米雄穗的三维形态模型显示。
2、 如权利要求1所述的玉米雄穗三维形态虛拟建模方法，其特征在于，所述步骤(l)中特征参数包括雄穗长，最低位分枝主轴长，分枝数，分技长度，分枝姿态，分枝高度角，分技方向角以及小穗密度。
3、 如权利要求1所述的玉米雄穗三维形态虛拟建模方法，其特征在于，所述步骤(2)中一组参数包括主轴长度、分枝数目、分枝在主轴上着生位置、分枝与主轴的夹角和分技方位角。
4、 如权利要求1所述的玉米雄穗三维形态虛拟建模方法，其特征在于，所述步骤(3)中参数值包括分枝长、弯曲程度和分枝节数。
5、如权利要求1所述的玉米雄穗三维形态虛拟建模方法，其特 征在于，所述步骤(4)中小穗变换包括对称，平移，或旋转。
全文摘要
本发明公开了一种玉米雄穗三维形态虚拟建模方法，主要包括如下步骤通过对玉米雄穗形态结构的观测分析，并结合农业知识以及玉米生理、生长特征，确定玉米雄穗三维形态的特征参数，进而提出基于形态结构特征参数的玉米雄穗三维形态数学模型和可视化实现方法。根据玉米雄穗结构特征，雄穗建模过程包括玉米雄穗空间拓扑结构设计、玉米雄穗分枝造型和小穗造型三个阶段。对于不同玉米品种，通过设置模型参数，即可在微机上实现雄穗的三维显示，具有较强的真实感效果。本发明建立的虚拟模型可控性强，易于操作，可满足玉米雄穗数字化设计的需要。
文档编号G06T17/00GK101667302SQ20091009306
公开日2010年3月10日 申请日期2009年9月22日 优先权日2009年9月22日
发明者温维亮, 肖伯祥, 赵春江, 郭新宇, 陆声链 申请人:北京农业信息技术研究中心