一種基於生長體空間的植物生長動畫合成方法
2023-06-10 17:39:36
專利名稱：一種基於生長體空間的植物生長動畫合成方法
技術領域：
本發明涉及動畫合成技術領域，特別涉及一種基於生長體空間的植物生長動畫合成方法。
背景技術：
進入二 ^^一世紀以來，植物對象的三維形態動態虛擬仿真和真實感動畫合成在計算機圖形學、虛擬實境、教育、遊戲娛樂等許多領域得到廣泛的應用，植物對象的三維動態模擬和動畫合成已經發展成為一個熱點問題。隨著現代文化創意產業的快速發展，植物的虛擬動畫合成扮演著越來越重要的角色，成為遊戲娛樂、虛擬展示、園藝景觀設計等典型應用中不可或缺的重要組成部分，對植 物虛擬建模方法、生長過程動態模擬以及動畫合成方法產生了巨大需求；此外，在現代農業信息化領域，新興的虛擬實境技術也越來越多地得到應用，虛擬農業中面臨著農林植物包括農業大田作物和園藝植物對象的虛擬建模和生長過程動態模擬問題，實現準確有效的植物對象的虛擬建模、動畫合成與動態仿真方法不僅可以拓展計算機圖形學領域植物建模的研究內容，還能為農業科研領域提供直觀的交互性操作與觀察平臺，對於推動現代農業信息化發展有著巨大的作用。近年來，面向植物對象虛擬建模的研究引起了研究者較大的興趣，關於植物對象靜態真實感建模的研究已取得了較大成果。然而，隨著信息技術的快速發展，現實應用領域中對高精度、高真實感植物動畫提出了進一步的要求，由於植物本身所具有的複雜形態結構，特別針對難以參數化表示的複雜結構，真實感植物動畫合成問題仍然沒有有效的解決方法，這在很大程度上限制了植物對象參數化、可視化的發展。因此，針對複雜的植物對象，基於真實測量數據，設計實現精確、有效的參數化動畫合成方法，並開發實用工具具有重要的現實意義和廣闊的應用前景。
發明內容
(一 )要解決的技術問題本發明要解決的技術問題是如何提供一種基於生長體空間的植物生長動畫合成方法，以提高植物生長動畫的真實感。( 二 )技術方案為解決上述技術問題，本發明提供一種基於生長體空間的植物生長動畫合成方法，包括步驟SI :在植物對象的各器官從開始生長到停止生長的階段內的關鍵時期，進行特徵點提取，建立各器官在所述關鍵時期的三維形態模板；S2:在所述植物對象的生命周期內，記錄各器官開始生長、停止生長、開始衰老和終止的時間節點；S3 :根據所述三維形態模板和所述時間節點，建立各器官的生長體空間；
S4:在所述生長體空間範圍內，計算各器官在連續時間軸上的三維形態，並將各器官按照植株拓撲結構組合，得到所述植物對象生長過程的模擬動畫。優選地，所述步驟SI中，所述關鍵時期包括，所述植物對象的各器官從開始生長到停止生長的階段內的前期緩慢生長時期、快速生長時期和後期慢速生長時期。優選地，所述步驟SI具體包括在植物對象的各器官從開始生長到停止生長的階段內的關鍵時期，採用三維數位化設備對各器官進行特徵點提取，建立各器官在所述關鍵時期的三維形態模板。優選地，所述步驟S2具體包括在所述植物對象的生命周期內，以日期序號的形式記錄各器官開始生長、停止生長、開始衰老和終止的時間節點。 優選地，所述日期序號以播種日期開始，並且記錄播種當天的序號為I，之後以天為單位累加。優選地，所述步驟S3具體包括根據所述三維形態模板和所述時間節點，以B樣條體插值方法建立各器官的生長體空間。優選地，所述生長體空間方程如下 P(u, = Z Z ⑷ X Bum O) x bKc1 (0 X KjA
k= i=0 j=0其中，p(u,w, t)表示對應於參數u, w, t的插值點；u表示器官模型曲面的橫向坐標參數，介於0到I 表示器官模型曲面的縱向坐標參數，介於0到I ;t表示器官模型的時間坐標參數，介於0到I ;i表不器官模型曲面的橫向插值參數變量；j表不器官模型曲面的縱向插值參數變量；k表不器官模型的時間軸插值參數變量；n表不器官模型曲面的橫向B樣條插值次數;m表不器官模型曲面的縱向B樣條插值次數；q表不器官模型的時間軸B樣條插值次數；Bi,n(u)表示關於u的n次B樣條基函數；Bj,m(w)表示關於w的m次B樣條基函數；Bk, q(t)表示關於t的q次B樣條基函數j, k表示在時間為k時，器官模型曲面的第i行第j列個特徵點。優選地，所述n的數值為2或者3。優選地，所述m的數值為2或者3。優選地，所述q的數值為2或者3。(三)有益效果本發明的基於生長體空間的植物生長動畫合成方法，無需人工幹涉，以實測數據為基礎建立三維形態模板，進而採用體空間插值方法，實現了植物對象的高精度高真實感動態過程模擬和動畫合成，具有重要的現實意義和廣闊的應用前景。
圖I是本發明實施例所述基於生長體空間的植物生長動畫合成方法流程圖；圖2是植物器官生長S型速率曲線示意圖；圖3是所述生長體空間示意圖；圖4是玉米葉片生長過程的體空間示意圖；圖5是玉米葉片的生長過程動畫示意圖；圖6是整株玉米的生長過程動畫示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例，對本發明的具體實施方式
作進一步詳細描述。以下實施例用於說明本發明，但不用來限制本發明的範圍。圖I是本發明實施例所述基於生長體空間的植物生長動畫合成方法流程圖，如圖I所示，所述方法包括步驟SI :在植物對象的各器官從開始生長到停止生長的階段內的關鍵時期，採用三維數位化設備對各器官進行特徵點提取，建立各器官在所述關鍵時期的三維形態模板。所述關鍵時期包括，所述植物對象的各器官從開始生長到停止生長的階段內的前期緩慢生長時期、快速生長時期和後期慢速生長時期。圖2是植物器官生長S型速率曲線示意圖，如圖2所示，植物器官從開始生長到停止生長的階段內的生長速率符合S型生長曲線，該生長曲線在三個關鍵時期(即前期緩慢生長時期、快速生長時期和後期慢速生長時期)內連續、平滑。所述三維形態模板由所述特徵點構成，比如，某個關鍵時期玉米葉片的三維形態模板包含橫向9行、縱向13列特徵點。同時，需要說明的是，本發明方法假設植物器官停止生長後形態上不再改變，因此，無需建立植物器官停止生長後的三維形態模板。 S2 :在所述植物對象的生命周期內，以日期序號的形式記錄各器官開始生長、停止生長、開始衰老和終止的時間節點；所述日期序號以播種日期開始，並且記錄播種當天的序號為1，之後以天為單位累加。比如，假設植物器官在第15天停止生長，則記錄該時間節點的日期序號為15。該步驟中記錄植物器官開始衰老的時間節點，以便在動畫中模擬植物器官顏色的變化，不涉及植物器官形態的變化；植物器官終止的時間節點對應於動畫中不再顯示該植物器官的時間點。S3 :根據所述三維形態模板和所述時間節點，以B樣條體插值方法建立各器官的生長體空間。所述B樣條體是B樣條在體空間內的意義延伸。圖3是所述生長體空間示意圖；圖4是玉米葉片生長過程的體空間示意圖。參考圖3和圖4，所述B樣條體插值方法建立的生長體空間方程如下
權利要求
1.一種基於生長體空間的植物生長動畫合成方法，其特徵在於，包括步驟 Si:在植物對象的各器官從開始生長到停止生長的階段內的關鍵時期，進行特徵點提取，建立各器官在所述關鍵時期的三維形態模板； 52:在所述植物對象的生命周期內，記錄各器官開始生長、停止生長、開始衰老和終止的時間節點； 53:根據所述三維形態模板和所述時間節點，建立各器官的生長體空間； 54:在所述生長體空間範圍內，計算各器官在連續時間軸上的三維形態，並將各器官按照植株拓撲結構組合，得到所述植物對象生長過程的模擬動畫。
2.如權利要求I所述的方法，其特徵在於，所述步驟SI中，所述關鍵時期包括，所述植物對象的各器官從開始生長到停止生長的階段內的前期緩慢生長時期、快速生長時期和後期慢速生長時期。
3.如權利要求I所述的方法，其特徵在於，所述步驟SI具體包括在植物對象的各器官從開始生長到停止生長的階段內的關鍵時期，採用三維數位化設備對各器官進行特徵點提取，建立各器官在所述關鍵時期的三維形態模板。
4.如權利要求I所述的方法，其特徵在於，所述步驟S2具體包括在所述植物對象的生命周期內，以日期序號的形式記錄各器官開始生長、停止生長、開始衰老和終止的時間節點。
5.如權利要求4所述的方法，其特徵在於，所述日期序號以播種日期開始，並且記錄播種當天的序號為1，之後以天為單位累加。
6.如權利要求I所述的方法，其特徵在於，所述步驟S3具體包括根據所述三維形態模板和所述時間節點，以B樣條體插值方法建立各器官的生長體空間。
7.如權利要求6所述的方法，其特徵在於，所述生長體空間方程如下
8.如權利要求7所述的方法，其特徵在於，所述n的數值為2或者3。
9.如權利要求7所述的方法，其特徵在於，所述m的數值為2或者3。
10.如權利要求7所述的方法，其特徵在於，所述q的數值為2或者3。
全文摘要
本發明公開了一種基於生長體空間的植物生長動畫合成方法，涉及動畫合成技術領域。所述方法包括步驟在植物對象的各器官從開始生長到停止生長的階段內的關鍵時期，進行特徵點提取，建立各器官在關鍵時期的三維形態模板；在植物對象的生命周期內，記錄各器官開始生長、停止生長、開始衰老和終止的時間節點；根據三維形態模板和時間節點，建立各器官的生長體空間；在生長體空間範圍內，計算各器官在連續時間軸上的三維形態，並將各器官按照植株拓撲結構組合，得到植物對象生長過程的模擬動畫。所述方法無需人工幹涉，以實測數據為基礎建立三維形態模板，進而採用體空間插值方法，實現了植物對象的高精度高真實感動態過程模擬和動畫合成。
文檔編號G06T13/60GK102682464SQ20121009349
公開日2012年9月19日 申請日期2012年3月31日 優先權日2012年3月31日
發明者吳升, 杜建軍, 肖伯祥, 趙春江, 郭新宇 申請人:北京農業信息技術研究中心