一种植物叶子三维模型建模方法及系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及建模技术领域，具体涉及一种植物叶子三维模型建模方法及系统。
【背景技术】
[0002]在影视制作、数字游戏开发、景观展示等应用中，三维植物模型是十分重要的对象。而植物具有极为丰富的形态结构，即便是同一棵植物，也不会存在外形完全相同的两个器官。因此，在构建植物三维模型时，往往需要针对每种器官制作多个模板，使得最终构建的植物三维模型能体现出器官形态上的多样性和自然性，从而增强真实感效果。
[0003]叶子是植物最重要的器官，对植物模型的外观塑造和视觉效果有着十分重要的影响，因此许多研宄者围绕该植物叶子三维模型的设计和构建开展了大量研宄，提出了一些解决方法。包括基于图像的重建方法、参数化方法和基于三维点云的重建方法，以及基于草图的方法等。
[0004]现有关于植物叶子三维模型的构建方法主要存在两个缺点，一个是仅仅考虑叶片，不考虑叶柄；二是所构建的叶片三维模型仅是单层结构，没有厚度。对第一个缺点，虽然可以通过将现有的叶片三维模型构建方法和叶柄三维模型构建方法集成起来构建包括叶片和叶柄的叶子三维模型，但一来这样构建的叶子三维模型中叶柄和叶片的网格存在分离的现象，二来现有的叶柄三维模型构建方法往往仅把叶柄看成一根弯曲的圆柱体，叶柄的横截面和半径变化过于单一，与真实叶柄的形态极不相符。
【发明内容】
[0005]针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种植物叶子三维模型的建模方法及系统，提高了与真实叶柄与叶片的形态的吻合度。
[0006]第一方面，本发明提供一种植物叶子三维模型建模方法，包括:
[0007]根据不同空间姿态的叶子骨架，构造所述叶子骨架中叶柄的粗度变化曲线以及横截面姿态，生成所述叶柄的网格曲面模型；
[0008]根据所述叶柄的粗度变化曲线，获取叶柄的顶部半径，并根据所述叶柄的顶部半径生成所述叶片主脉的网格曲面模型；
[0009]根据所述叶子骨架中叶片的边缘区域以及所述叶柄的顶部半径生成所述叶片的网格曲面模型。
[0010]可选的，通过B样条曲线构造所述叶子骨架中叶柄的粗度变化曲线以及横截面姿
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[0011]可选的，通过轴骨架器官网格化方法生成所述叶柄的网格曲面模型和所述叶片主脉的网格曲面模型。
[0012]可选的，通过Delaunay三角化方法生成所述叶片的网格曲面模型。
[0013]可选的，所述叶片的网格曲面模型包括所述叶片正面和背面的网格曲面模型。
[0014]可选的，所述根据所述叶子骨架中叶片的边缘区域以及根据所述叶柄的顶部半径生成所述叶片的网格曲面模型，包括:
[0015]根据所述叶柄的顶部半径获取所述叶片主脉的顶部特征点，并根据所述叶子骨架中叶片的边缘区域以及所述叶片主脉的顶部特征点，生成所述叶片正面的网格曲面；
[0016]相应的，根据所述叶柄的顶部半径获取所述叶片主脉的底部特征点，并根据所述叶子骨架中叶片的边缘区域以及所述叶片主脉的底部特征点生成所述叶片背面的网格曲面。
[0017]第二方面，本发明还提供了一种植物叶子三维模型建模系统，包括:
[0018]第一生成模块，用于根据不同空间姿态的叶子骨架，构造所述叶子骨架中叶柄的粗度变化曲线以及横截面姿态，生成所述叶柄的网格曲面模型；
[0019]第二生成模块，用于根据所述叶柄的粗度变化曲线，获取叶柄的顶部半径，并根据所述叶柄的顶部半径生成所述叶片主脉的网格曲面模型；
[0020]第三生成模块，用于根据所述叶子骨架中叶片的边缘区域以及所述叶柄的顶部半径生成所述叶片的网格曲面模型。
[0021]可选的，所述第一生成模块，具体用于:
[0022]通过B样条曲线构造所述叶子骨架中叶柄的粗度变化曲线以及横截面姿态。
[0023]可选的，所述第二生成模块，具体用于:
[0024]通过轴骨架器官网格化方法生成所述叶柄的网格曲面模型和所述叶片主脉的网格曲面模型。
[0025]可选的，所述第三生成模块，具体用于:
[0026]通过Delaunay三角化方法生成所述叶片的网格曲面模型。
[0027]由上述技术方案可知，本发明提供的一种植物叶子三维模型的建模方法及系统，该方法通过构造叶柄的粗度粗度变化曲线以及横截面姿态，在生成叶柄的网格曲面时考虑了叶柄粗度和横截面不规则的情形，同时在生成叶片网格曲面时考虑了叶片的厚度信息，从而构造出更加细致、更高精度的植物叶子的三维模型，提高了与真实叶柄与叶片的形态的吻合度。
【附图说明】
[0028]图1为本发明一实施例提供的一种植物叶子三维模型的建模方法的流程示意图；
[0029]图2为本发明一实施例提供的叶子骨架的结构示意图；
[0030]图3A至图3C为本发明一实施例提供的叶柄粗度变化曲线的形态示意图；
[0031]图4A至图4C为本发明一实施例提供的叶柄横截面姿态的形态示意图；
[0032]图5为本发明一实施例提供的叶片主脉特征点的结构示意图；
[0033]图6A至图6E为本发明一实施例提供的通过植物叶子三维模型的建模方法构建植物叶子三维模型实验结果的结构示意图；
[0034]图7为本发明一实施例提供的植物叶子三维模型的建模系统的结构示意图。
【具体实施方式】
[0035]下面结合附图，对发明的【具体实施方式】作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
[0036]图1示出了本发明实施例提供的一种植物叶子三维模型的建模方法的流程示意图，如图1所示，该方法包括如下步骤:
[0037]101、根据不同空间姿态的叶子骨架，构造所述叶子骨架中叶柄的粗度变化曲线以及横截面姿态，生成所述叶柄的网格曲面模型；
[0038]102、根据所述叶柄的粗度变化曲线，获取叶柄的顶部半径，并根据所述叶柄的顶部半径生成所述叶片主脉的网格曲面模型；
[0039]103、根据所述叶子骨架中叶片的边缘区域以及所述叶柄的顶部半径生成所述叶片的网格曲面模型。
[0040]具体的，所述叶片的网格曲面模型包括所述叶片正面和背面的网格曲面模型。
[0041]该方法通过构造叶柄的粗度变化曲线以及横截面姿态，在生成叶片网格曲面时考虑了叶片的厚度信息，从而构造出更加细致、更高精度的植物叶子的三维模型，提高了与真实叶柄与叶片的形态的吻合度。提供一种生成细致的植物叶子三维模型的方法，从而为进一步生构建整株植物三维模型提供高质量的器官模板支持。
[0042]具体的，上述步骤102中通过B样条曲线构造所述叶子骨架中的叶柄的粗度变化曲线以及横截面姿态。
[0043]上述步骤102通过轴骨架器官网格化方法生成叶柄的网格曲面模型和叶片主脉的网格曲面模型。
[0044]上述步骤103中通过Delaunay三角化方法生成所述叶片正面和背面的网格曲面模型。
[0045]上述步骤103具体包括:
[0046]根据所述叶柄的粗度变化曲线，获取所述叶柄的顶部半径；
[0047]根据所述叶柄的顶部半径获取所述叶片主脉的顶部特征点，并根据所述叶子骨架中叶片的边缘区域生成所述叶片正面的网格曲面；
[0048]相应的，根据所述叶柄的顶部半径获取所述叶片主脉的底部特征点，并根据所述叶子骨架中叶片的边缘区域生成所述叶片背面的网格曲面。
[0049]下面对上述方法主要流程通过以个步骤进行详细说明:
[0050]S1.叶子骨架设计。该步骤用来建立叶子的空间姿态，包括叶子的边缘和叶柄姿
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[0051]如图2所示，叶子骨架由一条叶柄骨架线、叶片主脉线、叶片左边缘线和叶片右边缘线组成。叶柄骨架线由点vpr、vpl、vp2、vme组成，其中vpr为叶柄的根部，vme为叶柄与叶片的连接点，vpr和vme之间的点(如vpl和vp2)的数量不固定，可根据不同植物真实叶子叶柄的形态特征自由设置。叶片主脉线由点vme、vml、vm2、vmt组成，其中vmt为叶尖点，vme和vmt之间的点(如vml和vm2)的数量不固定，可根据不同植物叶子主脉的形态特征自由设置。叶片左边缘线由点vme、veil、vel2、vel3、vel4、vmt组成，vme和vmt之间的点(如veil、vel2、vel3、vel4的数量不固定，可根据不同植物真实叶子边缘的形态特征自由设置，通过增加或减少点的方法可构造不同形态的边缘轮廓。同理，叶片右边缘线由点vme、verl、ver2、ver3、ver4、vmt 组成，vme 和 vmt 之间的点(如 verl、ver2、ver3、ver4)的数量不固定，可根据不同植物真实叶子边缘的形态特征自由设置。
[0052]构成叶子骨架的点称为特征点，可利用骨架提取从方法真实植物叶子的数码图像中自动提取得到，也可以通过草图设计或参数化设计等方法得到。也可以在三维空间中通过鼠标交互拖动的方式移动控制点，设计出不同空间姿态的叶子骨架。
[0053]S2.叶柄网格生成。用来生成叶柄的三维网格，包括如下步骤:
[0054]S21:粗度变化设计。定义叶柄从根部到叶柄与叶片交叉点的粗度(半径)的变化趋势。具体方法是通过一条在XOY平面上的B样条曲线进行定义，如图3A所示，Pb、Pt是B样条曲线的两个端点，均在XOY平面上，其中点Pb在X轴上，用户可以拖动点Pb在X轴的正方向左右移动；点Pt在平行于X轴且距离X轴Icm的一条直线上，用户也可以拖动Pt在该直线的正方向左右移动。用户也可以在Pb和Pt之间插入若干个点，从而构造出不同姿态的B样条曲线。如图3B和图3C。
[0055]S22:横截面形态设计。定义叶柄的横截面姿态。具体方法是通过一条在XOY平面上的封闭B样条曲线进行定义，如图4A所示。该样条曲线默认是以原点为中心、半径为Icm的圆，Pw、Pe、Ps、Pn是曲线与X轴和Y轴相交的四个控制点，均在XOY平面上，其中点Pw和Pe分别在X轴的负方向和正方向上，点Ps和Pn分别在Y轴的负方向和正方向上。用户可以拖动以上四个控制点在XOY平面任意移动，也可以在Pw和Pe、Ps和Pn之间插入若干个点，从而构造出不同姿态的B样条曲线。如图4B和图4C。
[0056]S23:生成叶柄三维网格。根据步骤SI定义的叶柄骨架线，从叶柄根部到顶部的半径通过S21定义的粗度变化B样条曲线确定，即该B样条曲线上每点到Y轴的垂直距离作为叶柄对应位置上的半径。同时，在进行横截面数据点生成时，确定好该位置的半径后r，通过S22定义的封闭B样条曲线进行数据点的生成。即根据用户输入的横截面网格划分数从封闭B样条曲线上等距离取相应个数的点，以这些点到原点的距离Xr计算该位置横截面上每个数据点的坐标。
[0057]S3.主脉网格生成。根据步骤SI定义的叶片主脉线，其