专利名称：植物叶片病斑渲染方法
技术领域：
本发明涉及计算机图形学、实时真实感绘制、植物行为仿真相结合的领域，具体涉及一种植物叶片病斑渲染方法。
背景技术：
近几年，随着农业信息化技术的不断发展，三维动画逐渐成为农业知识科普和技术培训的一项重要手段。面向农业 的三维动画，不仅需要具有逼真的视觉效果，同时还需正确地展现农业知识，因此，如何将三维视觉效果与农业知识进行缜密的结合就成为了一种亟待解决的问题。科普培训动画主要为农民展示农业生产中的基础知识、常见问题以及专业技术方法。其中，病虫害是农业生产中非常常见的一种生理现象，然而目前没有一种较好的方法可以真实地模拟病虫害的发生过程以及其影响下叶片表观的变化情况，所以描述病虫害条件下植物叶片表观变化成为农业领域亟需的应用。经过多年的发展，叶片渲染方面的研究取得了一定的进展。Hanrahan等以一维光线传输为基础，构建了多层表面模型[I]来模拟叶片的次表面散射，该模型可以借助蒙特卡罗积分估算出叶片的BRDF以及BTDF，并首次将次表面散射引入了计算机图形学领域。Wang等提出了一种实时的叶片渲染算法[2]，该方法在LEAFM0DEL模型的基础上推导出一个参数模型来计算叶片的BRDF以及BTDF，并通过采集真实叶片的空间BRDF及BTDF数据，对参数模型中的参数进行拟合，使其更符合真实叶片的表观；为了获得全局光照的效果，Wang等扩展了 PRT算法，不仅能够模拟低频的环境光效果，同时也可以模拟在高频阳光下的光影效果，Wang的方法[2]在获得较真实效果的同时，在运行的效率上也达到了实时性。FRANZKE等将叶片抽象为半无穷平板结构，利用偶极子的方法计算叶片的BSSRDF，并且根据采集到的表观纹理，通过光线追踪算法对叶片的表观进行渲染[3]，得到了较真实的效果。Ralf Habel等利用多偶机子的方法，将叶片看作是薄板结构，首次将BSSRDF引入到叶片的透射模拟，同时为了达到实时的效果，引入了 Half Life2基函数，并通过对图像卷积进行加速[4]。目前的研究中(如文献[I 4])有关叶片表观真实感绘制的研究大部分集中在正常状态下的表观质感建模，并且多为固定时刻的叶片表观模拟。但植物叶片的表观会在病虫害因素下产生显著的变化，在叶片表面会出现颜色的变化或者空洞，并且有些病菌还会在叶片表面积累形成霉层(如白粉病)，同时整个过程是一个动态的过程，这些表观的特点都是现有方法难以模拟的。以上提到的文献如下[I]Hanrahan P, Krueger ff. Reflection from layered surfaces due tosubsurface scattering:Proceedings of the20th annual conference on Computergraphics and interactive techniques，Anaheim，CA，1993[C]. ACM.[2]Wang Lj WangW, Dorsey J，et al. Real-time rendering of plantleaves:SIGGRAPff 06，New York, NY, USA,2006[C]. ACM.
[3] Franzke O, Deussen O. Rendering plant leavesfaithfully:SIGGRAPH’ 03，New York, NY, USA,2003[C]. ACM.[4] Habel Rj Kusternig A，Wimmer M. Physically Based Real-TimeTranslucency for Leaves. Kautz J，Pattanaik S. EurographicsAssociation, 2007253-263.
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克服现有技术不能模拟病虫害条件下叶片表观的缺点，实现植物叶片病斑渲染，对病菌扩散过程中叶片的表观变化进行真实的模拟。(二)技术方案 为了解决上述技术问题，本发明提供一种植物叶片病斑渲染方法，包括以下步骤SI、生成细胞纹理，根据所生成的细胞纹理模拟植物叶片表面的病斑动态空间信息，所述病斑动态空间信息包括三个方面的信息病斑的分布、病斑的运动方式、病斑最终形成的形态；S2、利用shell模型进行病菌扩散过程中叶片表观变化的模拟，从而实现病斑的渲染。优选地，步骤SI中生成细胞纹理具体包括步骤SI I、在二维图像内生成一定数目的特征点；S12、通过遍历所述二维图像内的每一个像素值，计算每一个像素值与特征点之间的距离，并计算每个像素点的颜色值，从而得到细胞的纹理特征，每个细胞单元的颜色分布表示病菌向四周扩散的运动过程。优选地，所述特征点服从泊松分布。优选地，步骤SI中模拟植物叶片表面的病斑动态空间信息时，根据计算得到的颜色值构建病害发生强度函数Density=l_b『x其中，b表示病菌扩散扩散速度，a表示病情程度，X为像素点的颜色值。优选地,步骤S2具体包括S21、删除小于所述病害发生强度函数的值的透明的像素点；S22、应用perlin噪声对所述病害发生强度函数对像素点进行扰动，并将病斑位置的像素点删除；S23、对于步骤S21、S22处理之后的叶片，将叶片的老化颜色与叶片的漫反射颜色进行加权，从而模拟病菌扩散过程中叶片表观的变化，所述加权的权重根据病害发生强度函数的值得到。优选地，步骤S21中在片元着色器中利用discard函数将所述透明的像素点删除。优选地，所使用的Shell模型将叶片分为15层。优选地，所述病菌为白粉病病菌，且基于如下假设执行步骤SI和S2 病菌在叶片表面进行生长繁衍是存在竞争的，且病菌均匀地散布在叶片的表面；
病菌浸染叶片是由初始的附着位置向四周逐步扩散的；对于同种叶片上的病菌，病菌在叶片留下的病斑形态呈现一定的相似性。(三)有益效果上述技术方案具有如下优点实现植物叶片病斑渲染，对病菌扩散过程中叶片的表观变化进行真实的模拟。
图I是本发明实施例的方法流程图；图2是不同计算公式计算得到的细胞纹理样式；图3是Pthreshold为O. 2、0· 3、0· 5时，病斑厚度的表观变化；图4 为 DNThreshold 在 O. 2,0. 5,0. 7 下的病斑表观；图5为随着病斑的变化，叶片颜色的变化效果；图6为不同a值下白粉病表观模拟图；图7为不同白粉病病情下，茄子植株的叶片表观模拟图；图8是Dnthreshold设置得较小时，叶锈病下叶片的变黄情况结果图；图9为茄子叶片发生虫害之后虫洞扩散的效果图。
具体实施例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。参考图I所示，以白粉病为例，对本发明实施例的病斑渲染方法进行介绍。SI、基于细胞纹理的病斑动态空间信息模拟本发明将白粉病的病斑动态空间信息分为三个方面病斑的分布、病斑的运动方式、病斑最终形成的形态。对于以上三个方面的病斑空间信息分别做出一些简单的假设病斑的分布A、白粉病病菌，其在叶片表面进行生长繁衍是存在竞争的，所以为了寻求最大程度的叶片资源，病菌会均匀地散布在叶片的表面；B、病斑的运动方式病菌浸染叶片，是由初始的附着位置向四周逐步扩散的(即不会出现位置的跳跃现象)。C、病斑的形态对于同种叶片上的白粉病菌，其在叶片留下的病斑形态会呈现一定的相似性(如黄瓜上大致成椭圆形)。在以上三种假设下，提出了基于细胞纹理的白粉病的病斑空间信息表达方法，通过细胞纹理，可以对病害在叶片表面的空间动态过程进行模拟。细胞纹理的生成方法分为两个阶段，S11、是在二维图像内生成一定数目的特征点，对于特征点的分布本发明选取泊松分布，这样做的目的是为了使其符合本发明中对病斑均匀分布的空间信息假设。S12，通过遍历每一个像素值，计算其与特征点之间的距离，并进行颜色计算，该步骤Sll、S12的伪代码如下
权利要求
1.一种植物叶片病斑渲染方法，其特征在于，包括以下步骤 51、生成细胞纹理，根据所生成的细胞纹理模拟植物叶片表面的病斑动态空间信息，所述病斑动态空间信息包括三个方面的信息病斑的分布、病斑的运动方式、病斑最终形成的形态； 52、利用shell模型进行病菌扩散过程中叶片表观变化的模拟，从而实现病斑的渲染。
2.如权利要求I所述的方法，其特征在于，步骤SI中生成细胞纹理具体包括步骤 511、在二维图像内生成一定数目的特征点； 512、通过遍历所述二维图像内的每一个像素值，计算每一个像素值与特征点之间的距离，并计算每个像素点的颜色值，从而得到细胞的纹理特征，每个细胞单元的颜色分布表示病菌向四周扩散的运动过程。
3.如权利要求I所述的方法，其特征在于，所述特征点服从泊松分布。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤SI中模拟植物叶片表面的病斑动态空间信息时，根据计算得到的颜色值构建病害发生强度函数Density=l-ba_x 其中，b表示病菌扩散扩散速度，a表示病情程度，X为像素点的颜色值。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤S2具体包括 521、删除小于所述病害发生强度函数的值的透明的像素点； 522、应用perlin噪声对所述病害发生强度函数对像素点进行扰动，并将病斑位置的像素点删除； 523、对于步骤S21、S22处理之后的叶片，将叶片的老化颜色与叶片的漫反射颜色进行加权，从而模拟病菌扩散过程中叶片表观的变化，所述加权的权重根据病害发生强度函数的值得到。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤S21中在片元着色器中利用discard函数将所述透明的像素点删除。
7.如权利要求I所述的方法，其特征在于，所使用的Shell模型将叶片分为15层。
8.如权利要求Γ7中任一项所述的方法，其特征在于，所述病菌为白粉病病菌，且基于如下假设执行步骤SI和S2 病菌在叶片表面进行生长繁衍是存在竞争的，且病菌均匀地散布在叶片的表面； 病菌浸染叶片是由初始的附着位置向四周逐步扩散的； 对于同种叶片上的病菌，病菌在叶片留下的病斑形态呈现一定的相似性。
全文摘要
本发明涉及计算机图形学、实时真实感绘制、植物行为仿真相结合的领域，公开了一种植物叶片病斑渲染方法，包括以下步骤S1、生成细胞纹理，根据所生成的细胞纹理模拟植物叶片表面的病斑动态空间信息，所述病斑动态空间信息包括三个方面的信息病斑的分布、病斑的运动方式、病斑最终形成的形态；S2、利用shell模型进行病菌扩散过程中叶片表观变化的模拟，从而实现病斑的渲染。本发明能够实现植物叶片病斑渲染，对病菌扩散过程中叶片的表观变化进行真实的模拟。
文档编号G06T15/10GK102867325SQ20121022715
公开日2013年1月9日 申请日期2012年6月29日 优先权日2012年6月29日
发明者赵春江, 郭新宇, 苗腾, 陆声链, 杜建军 申请人:北京农业信息技术研究中心