CN104851125A - 一种植物叶子三维模型建模方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种植物叶子三维模型建模方法及***，该方法包括：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；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；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。该方法通过构造叶柄的粗度变化曲线以及横截面姿态，在生成叶柄的网格曲面时考虑了叶柄的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。

Description

一种植物叶子三维模型建模方法及***

技术领域

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***。

背景技术

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。

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，因此许多研究者围绕该植物叶子三维模型的设计和构建开展了大量研究，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。

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

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***，提高了与真实叶柄与叶片的形态的吻合度。

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：

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；

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；

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。

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态。

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。

可选的，通过Delaunay三角化方法生成所述叶片的网格曲面模型。

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。

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：

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；

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。

第二方面，本发明还提供了一种植物叶子三维模型建模***，包括：

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；

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；

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。

可选的，所述第一生成模块，具体用于：

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。

可选的，所述第二生成模块，具体用于：

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。

可选的，所述第三生成模块，具体用于：

通过Delaunay三角化方法生成所述叶片的网格曲面模型。

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***，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

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；

图2为本发明一实施例提供的叶子骨架的结构示意图；

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；

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；

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；

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；

图7为本发明一实施例提供的植物叶子三维模型的建模***的结构示意图。

具体实施方式

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。

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：

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；

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；

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。

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。

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。

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。

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。

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。

上述步骤103具体包括：

根据所述叶柄的粗度变化曲线，获取所述叶柄的顶部半径；

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；

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。

下面对上述方法主要流程通过以个步骤进行详细说明：

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态。

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、vp1、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vp1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、vm1、vm2、vmt组成，其中vmt为叶尖点，vme和vmt之间的点(如vm1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、vel1、vel2、vel3、vel4、vmt组成，vme和vmt之间的点(如vel1、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、ver1、ver2、ver3、ver4、vmt组成，vme和vmt之间的点(如ver1、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。

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。

S2.叶柄网格生成。用来生成叶柄的三维网格，包括如下步骤：

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X0Y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X0Y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1cm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***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。

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X0Y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1cm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X0Y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X0Y平面任意移动，也可以在Pw和Pe、Ps和Pn之间***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。

S23:生成叶柄三维网格。根据步骤S1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×r计算该位置横截面上每个数据点的坐标。

S3.主脉网格生成。根据步骤S1定义的叶片主脉线，其中下部(叶片与叶柄交叉点)的半径为叶柄顶部半径，顶部(叶尖)半径为0，其他地方的半径从下部往顶部线性减少。

S4.叶片网格生成。包括：

S41:叶片正面网格生成。首先从S1构造的叶片主脉线的特征点生成叶片主脉顶部特征点，如图5所示，点vmea、vma1、vma2即为分别从图2所示的叶片主脉线上的特征点vme、vm1、vm2生成的，令vmea_x、vmea_y、vmea_z分别为点vmea的x、y、z坐标分量值，则

vmea_z＝vme_z+pr/2。其中pr为由S21定义的叶柄粗度变化曲线计算得到的叶柄顶部半径,vme_z为点vme的z坐标分量值。vmea_x和vmea_y的值和点vme的x坐标和y坐标分量值相同。

令vma1_x、vma1_y、vma1_z分别为点vma1的x、y、z坐标分量值，则

vma1_z＝vm1_z+pr/2×(2/3)，其中vm1_z为点vm1的z坐标分量值。而vma1_x和vma1_y的值和点vm1的x坐标和y坐标分量值相同。

同理，令vma2_x、vma2_y、vma2_z分别为点vma2的x、y、z坐标分量值，则

vma2_z＝vm2_z+pr/2×(1/3)，vm2_z为点vm2的z坐标分量值。而vma2_x和vma2_y的值和点vm2的x坐标和y坐标分量值相同。

然后，对用S1定义的叶片左边缘线和以上计算得到叶片主脉顶部特征点构成的曲线组成叶片顶部的左边区域，通过Delaunay三角化方法进行网格生成。同理，采用相同的方法对叶片顶部的右边区域进行网格生成，即可生成叶片的正面网格。

S42:叶片背面网格生成。首先从S1构造的叶片主脉线的特征点生成叶片主脉底部特征点，如图5所示，点vmeb、vmb1、vmb2即为分别从图2所示的叶片主脉线上的特征点vme、vm1、vm2生成的，令vmeb_x、vmeb_y、vmeb_z分别为点vmeb的x、y、z坐标分量值，则

vmeb_z＝vme_z－pr/2。其中vme_z为点vme的z坐标分量值。vmeb_x和vmeb_y的值和点vme的x坐标和y坐标分量值相同。

令vmb1_x、vmb1_y、vmb1_z分别为点vmb1的x、y、z坐标分量值，则

vmb1_z＝vm1_z－pr/2×(2/3)，其中vm1_z为点vm1的z坐标分量值。而vmb1_x和vmb1_y的值和点vm1的x坐标和y坐标分量值相同。

同理，令vmb2_x、vmb2_y、vmb2_z分别为点vmb2的x、y、z坐标分量值，则

vmb2_z＝vm2_z－pr/2×(1/3)，vm2_z为点vm2的z坐标分量值。而vmb2_x和vmb2_y的值和点vm2的x坐标和y坐标分量值相同。

然后，对用S1定义的叶片左边缘线和以上计算得到叶片主脉底部特征点构成的曲线组成叶片底部的左边区域，通过Delaunay三角化方法进行网格生成。同理，采用相同的方法对叶片底部的右边区域进行网格生成，即可生成叶片的正面网格。

上述步骤通过少量控制点定义叶子的骨架结构，并通过B样条曲线对叶柄的粗度变化和横截面变化进行设计，用户可以通过鼠标拖动或其他方式修改控制点位置的方法灵活地编辑叶子的形态结构，在生成叶片网格曲面时考虑了叶片的厚度信息，从而使构造更细致、更高精度的植物叶子三维模型成为可能。

上述方法中将叶片和叶柄在一个模型上统一设计和生成，通过样条曲线进行叶柄粗度变化和横截面形态的设计，能够构造更细致更逼真的植物叶柄三维模型。并且考虑了叶片的厚度信息，同时生成叶片的正面网格和背面网格，其他用户可在此基础上进行正面贴图和背面贴图。另外用户可通过参数控制网格的数量。

以图2所示的叶子骨架进行了试验。通过图3B定义的叶柄粗度曲线，以及图4A定义的叶柄横截面形态曲线，得到图6A所示的三维网格模型，其中叶柄的纵向网格化参数设置为18、横截面网格化参数设置为6。图6B则为该模型的面绘制显示结果。通过图3C定义的叶柄粗度曲线，以及图4B定义的叶柄横截面形态曲线，得到图6C所示的网格模型。而通过图3C定义的叶柄粗度曲线，以及图4C定义的叶柄横截面形态曲线，得到图6D所示的网格模型。图6E则为该模型的面绘制显示结果。

其中，图3A代表叶柄粗度变化曲线坡形，图3B代表叶柄粗度变化曲线为葫芦形，图3C代表叶柄粗度变化曲线为倒锥形，图4A代表叶柄横截面形态曲线为圆形，图4B代表叶柄横截面形态曲线为椭圆形，图4C代表叶柄横截面形态曲线为凹槽形。

图7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***的结构示意图，如图7所示，该***包括：

第一生成模块71，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；

第二生成模块72，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；

第三生成模块73，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。

在本发明的一个优选的实施例中，所述第一生成模块71，具体用于：

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。

所述第二生成模块72，具体用于：

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。

所述第三生成模块73，具体用于：

通过Delaunay三角化方法生成所述叶片的网格曲面模型。

本发明中的上述方法与上述***是一一对应的，上述对方法的实施方式也适用于该***，本实施例不对上述***进行详细说明。

本发明的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在下面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (10)

1.一种植物叶子三维模型建模方法，其特征在于，包括：

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；

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；

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。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，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。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，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。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过Delaunay三角化方法生成所述叶片的网格曲面模型。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，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。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，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：

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；

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。

7.一种植物叶子三维模型建模***，其特征在于，包括：

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；

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；

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。

8.根据权利要求7所述的***，其特征在于，所述第一生成模块，具体用于：

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。

9.根据权利要求7所述的***，其特征在于，所述第二生成模块，具体用于：

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。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述第三生成模块，具体用于：

通过Delaunay三角化方法生成所述叶片的网格曲面模型。