基於二維模型建立玉米果穗三維圓柱模型的方法
2023-05-27 22:16:31 5
基於二維模型建立玉米果穗三維圓柱模型的方法
【專利摘要】基於二維模型建立玉米果穗三維圓柱模型的方法，包括以下步驟：建立玉米芯的二維截面圓，並將其圓周均為穗行個數相同的等份；建立籽粒和胚芽邊界在水平面上的垂直投影，建立玉米籽粒的二維側面圖；玉米芯的二維截面圓切出V型槽；拉伸出帶有V型槽體的玉米芯圓柱體模型；切出玉米籽粒模型；建立具有胚芽的玉米籽粒實體模型；將玉米籽粒實體模型的果柄安裝在玉米芯圓柱體模型的V型槽體中，並將每間隔兩列籽粒沿玉米芯中心軸線方向移位籽粒厚度的，建立玉米果穗三維圓柱模型。本發明在二維模型的基礎上建立三維模型，保證了玉米籽粒的排列接近實際情況，即籽粒之間是接觸的，且籽粒的排列符合組砌規律；可用於玉米果穗脫粒等研究需要。
【專利說明】基於二維模型建立玉米果穗三維圓柱模型的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及玉米果穗的三維建模方法，具體的說是一種基於二維模型建立玉米果穗三維圓柱模型的方法。
【背景技術】
[0002]玉米是我國主要糧食作物之一，玉米果穗穗行數是描述玉米品種的關鍵形狀之一，每個品種的小穗原基的數目受基因控制，通常是恆定的，因此大多數玉米果穗的穗行是偶數，且大多是十六行或十八行，而在田間表現中，十六行穗行的果穗又佔多數。從統計學角度對玉米果穗進行仿真建模，對玉米果穗的理論研究和相關的工程設計都具有重要意義。
[0003]玉米脫粒原理主要有衝擊、揉搓、梳刷、碾壓和揉搓等，其中，衝擊脫粒是目前國內玉米最常用脫粒原理。玉米籽粒脫粒破損率直接影響玉米的存儲和種子生產等方面。玉米脫粒過程中，受脫粒設備的作用，存在一定的破損率，因此，研究降低玉米脫粒破損率的方法對生產實際有重大意義。降低玉米脫粒破損率的研究不僅包括對玉米脫粒裝置的研究，還應包括玉米果穗特性的研究，為脫粒裝置的設計提供理論依據。
【發明內容】
[0004]本發明的目的是提供一種基於二維模型建立玉米果穗三維圓柱模型的方法，根據玉米籽粒和玉米芯相關參數統計、測量，根據作出的平面幾何圖形建立三維圓柱模型，玉米果穗三維模型是在玉米果穗各幾何尺寸與玉米果穗二維模型的基礎上建立的，且三維模型均遵循籽粒的組砌規律，建立三維模型時假設玉米芯是圓柱體。
[0005]本發明為實現上述目的所採用的技術方案為:
基於二維模型建立玉米果穗三維組砌模型的方法，包括以下步驟:步驟一、選取同一品種、相同含水率的玉米果穗若干，測量玉米芯直徑和長度並分別取均值，根據直徑均值參數作出玉米芯的二維截面圓，即垂直於玉米芯中心軸線的截面圓；然後根據選取玉米果穗的穗行個數n，將作出的截面圓的圓周均分為η等份，每等份與截面圓的圓心連線所圍扇形的圓心角為； η
步驟二、選取步驟一中玉米果穗上的若干籽粒，作出籽粒和籽粒上的胚芽邊界在水平面上的垂直投影，並將垂直投影沿果柄底部至籽粒頂部的方向依次劃分為相連接的一個等腰三角形、兩個等腰梯形和一個矩形，等腰三角形的底邊兼做果柄的頂部和胚芽邊界，分別測出等腰三角形的三邊長、兩個等腰梯形的四邊長以及矩形的長度和寬度，根據所測得的幾何特徵參數作出籽粒的二維側面圖；
步驟三、根據步驟二中等腰三角形的幾何特徵參數，在步驟一建立的二維截面圓的每等份扇形中對應切除出V型槽，V型槽的兩側邊長與等腰三角形的兩邊長相同，且V型槽的折點位於二維截面圓的半徑線上； 步驟四、測量步驟一中玉米芯長度並取均值，由步驟三切有V型槽的玉米芯二維截面圓依據玉米芯的長度均值拉伸出帶有V型槽體的玉米芯圓柱體模型；
步驟五、根據步驟二建立的籽粒的二維側面圖，依照步驟四玉米芯圓柱體模型的長度拉伸出三維結構的玉米籽粒條，測量步驟二中選取的籽粒的頂部的厚度，並取其均值，根據該籽粒厚度均值在建立的玉米籽粒條上一一切出籽粒模型；
步驟六、取步驟二中的全部籽粒，沿籽粒中心軸線標記胚芽上的若干點，確定籽粒厚度均值與胚芽上標記點位置處厚度的差值，並取均值；在籽粒模型的中心軸線上找到與胚芽上標記點相對應的點，然後確定穿過該點並垂直於籽粒模型的中心軸線的直線與胚芽邊界的兩個交點；以確定的交點為端點，以厚度差值的均值為內凹的最大深度，在二維坐標系中作出胚芽內凹曲線，根據該曲線在步驟五切出的籽粒模型其中一個側面上切除出胚芽曲面，建立具有胚芽的玉米籽粒實體模型；
步驟七、將玉米籽粒實體模型的果柄安裝在步驟四建立的玉米芯圓柱體模型的V型槽體中，使胚芽處的端面與玉米芯一端的端面配合，通過圓周陣列建立完整的玉米果穗模型，
並將每間隔兩列籽粒沿玉米芯中心軸線方向移位步驟五中籽粒厚度的建立玉米果穗三維圓柱模型。
[0006]上述步驟五建立的玉米籽粒實體模型中，各籽粒頂部的邊界處採用圓弧過渡，圓弧半徑為1mm。
[0007]本發明建立在玉米芯是圓柱體的基礎上，將籽粒與玉米芯裝配，裝配時須保證籽粒組砌規律和籽粒間接觸狀況。在步驟七裝配時，將玉米籽粒實體模型的果柄處最下端與玉米芯圓柱體模型上的V型槽體最下端的一條線配合，將果柄沿玉米芯中心軸線的一側面與槽體的內壁一側面配合，將胚芽處的端面與玉米芯一端的端面配合，可將由玉米籽粒條切除出的單個籽粒裝配到玉米芯上，按此方法沿玉米芯軸向裝配一列若干個玉米籽粒，將裝配好的一列籽粒在相鄰處陣列一列即可以建立一組對列行籽粒；然後裝配與已裝配的對列行籽粒對應的兩列交錯行籽粒，交錯行籽粒裝配的基本過程與對列行籽粒的步驟基本相同，差別在於，由於要保證每間隔兩列籽粒，相鄰的兩列籽粒交錯排列，所以籽粒胚芽處端面與玉米芯端面配合時，每間隔兩列籽粒，胚芽處端面沿玉米芯軸向向後退玉米籽粒厚度的,這樣就保證了相鄰兩行籽粒的交錯排列；最後把裝配好的兩列對列行籽粒、兩列交錯行籽粒圓周陣，從而建成圓柱型玉米果穗模型。
[0008]有益效果:本發明通過測量、統計玉米果穗各部分幾何參數，建立玉米果穗二維模型，並在二維模型的基礎上建立三維模型，建模時保證了玉米籽粒的排列接近實際情況，即籽粒之間是接觸的，且籽粒的排列符合組砌規律；本發明是基於玉米芯是圓柱體所建立的模型，可用於整個玉米果穗建模或對其分段建模，滿足玉米果穗脫粒等研究需要；而且，基於二維模型的玉米籽粒三維形態建模方法具有普適性，對於構件其它農作物的三維模型具有指導意義。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0009]圖1為玉米果穗實物組砌圖；
圖2為本發明玉米芯的二維截面圓； 圖3為本發明步驟二中籽粒的二維側面圖；
圖4為本發明步驟五中胚芽曲面二維圖；
圖5為杆粒和胚牙在冋一坐標系中的不意圖；
圖6為本發明步驟五中建立的玉米籽粒條；
圖7至圖8為建立的玉米果穗三維圓柱模型。
[0010]附圖標記:1、玉米芯，2、籽粒，201、果柄，3、胚芽，4、玉米籽粒條，5、V型槽體。
【具體實施方式】
[0011]在三維軟體中建立玉米果穗的實體模型時，主要有兩個方面的依據:(I)、玉米果穗籽粒普遍存在的組砌規律，如圖1所示，玉米果穗籽粒在生長時存在一定的生物性特性。在玉米芯上，玉米籽粒通常排列成16?18縱行或更多偶數行。在果穗上除了兩端最外緣籽粒外，果穗排列是以11-22組砌單元為基本單元組合排列錯位搭接的，即相鄰的單層兩橫向籽粒側面正對接觸形成1-1對立接觸的兩列為一組，與另外相鄰兩列的兩層同樣2-2接觸的兩橫向籽粒的側面形成錯位接觸。玉米果穗籽粒的這種組砌規律在目前所見到的玉米品種中是普遍存在的。建模時確保了模型符合玉米果穗籽粒的組砌規律；(2)、關於玉米果穗的尺寸參數，主要包括玉米芯相關尺寸、籽粒和玉米籽粒上胚芽的相關尺寸，這些尺寸是根據測量得到的。
[0012]基於二維模型建立玉米果穗三維圓柱模型的方法，包括以下步驟:步驟一、選取同一品種、相同含水率的玉米果穗若干，測量玉米芯直徑和長度並分別取均值，根據直徑均值參數作出玉米芯的二維截面圓，即垂直於玉米芯中心軸線的截面圓，如圖2所示，然後根據選取玉米果穗的穗行個數n，將作出的截面圓的圓周均分為η等份，每等份與圓心連線所圍
160°
扇形的圓心角為。經觀察分析發現:品種為浚單20的玉米沿玉米芯圓周，每周有16
n
個籽粒，假設16個籽粒大小相同且沿圓周均勻分布，若要保證籽粒的兩側邊接觸，則籽粒間接觸部位兩側邊的夾角必為22.5°且16個籽粒均按此角度排列；
步驟二、選取步驟一中玉米果穗上的若干籽粒，作出籽粒和籽粒上的胚芽邊界在水平面上的垂直投影，並將垂直投影沿果柄底部至籽粒頂部的方向依次劃分為相連接的一個等腰三角形、兩個等腰梯形和一個矩形，等腰三角形的底邊兼做果柄的頂部和胚芽邊界，分別測出等腰三角形的三邊長、兩個等腰梯形的四邊長以及矩形的長度和寬度，根據所測得的幾何特徵參數，作出如圖3所示的籽粒和胚芽的二維側面圖；
步驟三、根據步驟二中等腰三角形的幾何特徵參數，在步驟一建立的二維截面圓的每等份扇形中對應切除出V型槽，如圖2所示，V型槽的兩側邊長與等腰三角形的兩邊長相同，且V型槽的折點位於二維截面圓的半徑線上；或者按照步驟二中等腰三角形的幾何特徵參數，在單個扇形中切除出放置果柄的一個V型槽，再圓周陣列出16條放置果柄的槽。
[0013]步驟四、測量步驟一中玉米芯長度並取均值，由步驟三切有V型槽的玉米芯二維截面圓依據玉米芯的長度均值拉伸出帶有V型槽體的玉米芯圓柱體模型；
步驟五、根據步驟二建立的籽粒的二維側面圖，沿步驟四建立的玉米芯圓柱體模型的中心軸線方向，依照步驟四玉米芯圓柱體模型的長度拉伸出如圖6所示的三維結構的玉米籽粒條，測量步驟二中選取的籽粒的頂部的厚度，並取其均值，根據該籽粒厚度均值在建立的玉米籽粒條上一一切出籽粒；
步驟六、取步驟二中的全部籽粒，沿籽粒中心軸線標記胚芽上的若干點，確定籽粒厚度均值與胚芽上標記點位置處厚度的差值，並取均值；在籽粒模型的中心軸線上找到與胚芽上標記點相對應的點，然後確定穿過該點並垂直於籽粒模型的中心軸線的直線與胚芽邊界的兩個交點；以確定的交點為端點，以厚度差值的均值為內凹的最大深度，如圖4所示，在二維坐標系中作出胚芽內凹曲線，根據如圖5所示的該曲線和步驟二籽粒的二維側面圖中胚芽和籽粒的位置關係，在步驟五切出的籽粒模型其中一個側面上切除出胚芽曲面，建立具有胚芽的玉米籽粒實體模型；
步驟七、將玉米籽粒實體模型的果柄安裝在步驟四建立的玉米芯圓柱體模型的V型槽體中，使胚芽處的端面與玉米芯一端的端面配合，通過圓周陣列建立完整的玉米果穗模型，
並將每間隔兩列籽粒沿玉米芯中心軸線方向移位步驟五中籽粒厚度的,? ,建立如圖8所示的玉米果穗三維圓柱模型，符合如圖1所示的玉米果穗實際組砌規律。
[0014]其中，步驟六建立的玉米籽粒實體模型，是根據步驟二的籽粒和胚芽的二維側面圖拉伸出厚度為5mm的輪廓，各籽粒頂部的邊界處採用圓弧過渡，圓弧半徑為1mm，然後根據胚芽的尺寸數據放樣切除出玉米胚芽而建立。
[0015]參考玉米芯、玉米籽粒幾何尺寸的測量結果，選取浚單20品種的玉米果穗，玉米芯的直徑為31.40mm，果穗直徑為49.78mm。果穗上所有籽粒的尺寸相同，如圖7和圖8所示。建模過程:首先建立玉米芯模型，由玉米芯的截面圓拉伸出長為43mm的圓柱體，然後根據果柄處的尺寸切除出放置果柄的一條槽，再圓周陣列出16條放置果柄的槽。其次根據圖7所示果穗的半徑建立籽粒的模型，籽粒模型也是首先根據籽粒的截面圖拉伸出厚為5mm的輪廓，籽粒邊界處倒角半徑為1_，然後根據胚芽的尺寸數據放樣切除出胚芽而建立。
[0016]最後將籽粒與玉米芯裝配，裝配須保證籽粒組砌規律和籽粒間接觸狀況，如圖8所示，首先裝配對列行上一個籽粒，第一步將籽粒果柄處最下端的一條線與玉米芯上放置果柄的槽的最下端一條線配合，第二步將果柄沿玉米芯軸向的一側面與槽的一側面配合，第三步將籽粒胚芽處端面與玉米芯端面配合，由此三步即可將一個籽粒裝配固定到玉米芯上，按此方法沿玉米芯軸向裝配一列8個玉米籽粒，將裝配好的一列籽粒在相鄰處陣列一列即可以建立一組對列行籽粒；然後裝配與已裝配的對列行籽粒對應的交錯行籽粒，交錯行籽粒裝配的基本過程與對列行籽粒的步驟基本相同，差別在第三步，由於要保證與相鄰的籽粒交錯排列，所以第三步籽粒胚芽處端面與玉米芯端面配合時，胚芽處端面沿玉米芯軸向向後退2.5mm，這樣就保證了相鄰兩行籽粒的交錯排列；最後把裝配好的兩列對列行籽粒、兩列交錯行籽粒圓周陣列成16列籽粒，從而建成如圖8所示的圓柱型玉米果穗模型。
【權利要求】
1.基於二維模型建立玉米果穗三維圓柱模型的方法，其特徵在於，包括以下步驟: 步驟一、選取同一品種、相同含水率的玉米果穗若干，測量玉米芯直徑和長度並分別取均值，根據直徑均值參數作出玉米芯的二維截面圓，即垂直於玉米芯中心軸線的截面圓；然後根據選取玉米果穗的穗行個數n，將作出的截面圓的圓周均分為η等份，每等份與圓心連
360°線所圍扇形的圓心角為1——；
η 步驟二、選取步驟一中玉米果穗上的若干籽粒，作出籽粒和籽粒上的胚芽邊界在水平面上的垂直投影，並將垂直投影沿果柄底部至籽粒頂部的方向依次劃分為相連接的一個等腰三角形、兩個等腰梯形和一個矩形，等腰三角形的底邊兼做果柄的頂部和胚芽邊界，分別測出等腰三角形的三邊長、兩個等腰梯形的四邊長以及矩形的長度和寬度，根據所測得的幾何特徵參數作出籽粒的二維側面圖； 步驟三、根據步驟二中等腰三角形的幾何特徵參數，在步驟一建立的二維截面圓的每等份扇形中對應切除出V型槽，V型槽的兩側邊長與等腰三角形的兩邊長相同，且V型槽的折點位於二維截面圓的半徑線上； 步驟四、測量步驟一中玉米芯長度並取均值，由步驟三切有V型槽的玉米芯二維截面圓依據玉米芯的長度均值拉伸出帶有V型槽體的玉米芯圓柱體模型； 步驟五、根據步驟二建立的籽粒的二維側面圖，依照步驟四玉米芯圓柱體模型的長度拉伸出三維結構的玉米籽粒條，測量步驟二中選取的籽粒的頂部的厚度，並取其均值，根據該籽粒厚度均值在建立的玉米籽粒條上一一切出籽粒模型； 步驟六、取步驟二中的全部籽粒，沿籽粒中心軸線標記胚芽上的若干點，確定籽粒厚度均值與胚芽上標記點位置處厚度的差值，並取均值；在籽粒模型的中心軸線上找到與胚芽上標記點相對應的點，然後確定穿過該點並垂直與籽粒模型中心軸線的直線與胚芽邊界的兩個交點；以確定的交點為端點，厚度差值的均值為內凹的最大深度，在二維坐標系中作出胚芽內凹曲線，根據該曲線在步驟五切出的籽粒模型的其中一個側面上切除出胚芽曲面，建立具有胚芽的玉米籽粒實體模型；步驟七、將玉米籽粒實體模型的果柄安裝在步驟四建立的玉米芯圓柱體模型的V型槽體中，使胚芽處的端面與玉米芯一端的端面配合，通過圓周陣列建立完整的玉米果穗模型，並將每間隔兩列籽粒沿玉米芯中心軸線方向移位步驟五中籽粒厚度的P2,建立玉米果穗三維圓柱模型。
2.根據權利要求1所述的基於二維模型建立玉米果穗三維圓柱模型的方法，其特徵在於:步驟六建立的玉米籽粒實體模型中，各籽粒頂部的邊界處採用圓弧過渡，圓弧半徑為Imm0
【文檔編號】G06T17/00GK104167018SQ201410359618
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2014年7月28日 優先權日:2014年7月28日
【發明者】李心平, 馬義東, 杜哲, 吳康, 馬磊, 高春豔, 馬福麗 申請人:河南科技大學