[发明专利]结合静态结构利用计算机绘制动态3D植物的方法

说明书

技术领域

本发明属于虚拟现实及计算机绘图技术领域，特别涉及利用计算机绘制动态3D植物的方法。本发明可应用于数字农林业、数字娱乐、景观设计。

背景技术

虚拟植物是三维(3D)场景中的重要内容，在计算机游戏、电影特效制作、景观设计等领域中被普遍用到。随着计算机软硬件技术的发展，进行复杂虚拟植物场景的高真实感快速绘制已经成为可能。相比之下，应用于上述场合的虚拟植物的3D形态基本还来源于交互式的手工设计以及计算机模拟。计算机模拟产生的虚拟植物能够产生复杂的精细结构，但形态一般比较规则。

然而，现实世界中的植物结构姿态丰富，一般来说，除了一两年生的植物的顶部枝条以外，诸如成年树木等的结构，由于剪枝、枝条脱落等过程，很难通过观察来实现树木从幼树到成年树的动态模拟。因此，难以对实际树木进行从小树到成年树的动态模拟。

近年来，基于三维激光扫描获得树木的点云数据，再由点云重建树木结构的研究呈上升趋势，可以获得实际树木形态，初步估计树木主干的直径，以及推算树冠内部枝条的连接关系。这类研究被应用于城市景观构建，以及森林的材积评估。其优势是对于剪枝、枝条脱落等而导致的树木不规则形态，可通过重建直接得到，不需要对过程建模。

然而，基于三维激光扫描仪得到的是静态的植物结构，不能模拟植物的动态生长，不能满足根据扫描结果对未来进行预测的需求。其他获得树木静态结构的方法还有利用多幅图像进行重建的方法，利用深度图的骨架提取方法，以及纯粹的手工交互设计。其优缺点亦同上。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明提出一种利用计算机绘制动态3D植物的方法，以解决对于虚拟植物的静态结构和动态模拟不能很好地结合的问题，为3D虚拟植物的形态设计、生长预测等提供一种新的途径。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提出一种利用计算机绘制动态3D植物的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、建立3D植物的静态结构；

S2、对所述3D植物的静态结构进行几何信息和拓扑信息的定量描述；

S3、在所述植物上确定新枝条生长点，以及每个生长点的几何和拓扑生长参数；

S4、在所述3D植物的静态结构的生长点上，根据每个生长点的生长参数进行新枝条的动态模拟；

S5、根据上述植物的静态结构和动态模拟计算结果来绘制所述3D虚拟植物。

根据本发明的一种具体实施方式，在所述步骤S3对所述植物的动态模拟计算的过程中，对所述的3D植物的静态结构进行更新。

根据本发明的一种具体实施方式，所述步骤S3的更新步骤包括：所述树木静态结构中的节间直径根据该节间上方叶子数目按比例增加。

根据本发明的一种具体实施方式，所述步骤S1中获得3D植物的静态结构的步骤可以利用3D激光扫描或交互设计方法建立静态结构数据后输入计算机。

根据本发明的一种具体实施方式，所述拓扑信息包括枝条之间的连接关系以及枝条内部不同节间之间的连接关系，几何信息包括枝条的空间角度和所有节间直径。

根据本发明的一种具体实施方式，所述步骤S4中的动态模拟指在静态结构中每个生长点处的新枝条的模拟，每个新枝条相当于一个独立的植物，采用相同的生长模型，仅模型参数不同。

(三)有益效果

本发明充分利用静态结构建模，能够获得虚拟3D植物形态丰富的主要枝干造型；同时，本发明对植物学规律比较明显、受外界干扰小的植物枝条进行动态模拟，可以较快地获得丰富的植物细节，而且可以模拟并绘制3D植物形态的动态变化。

附图说明

图1是本发明的利用计算机绘制动态3D植物的方法的流程图；

图2是本发明一个实施例所建立的一棵树的静态结构图；

图3是本发明一个实施例的静态起始树木结构的骨架示意图；

图4是本发明一个实施例的生长点的交互选取示意图；

图5是本发明一个实施例的根据生长点的信息而产生的新的植物骨架示意图；

图6是本发明一个实施例的基于静态结构的植物动态绘制图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

图1是本发明的利用计算机绘制3D动态植物的方法的流程图。如图1所示，本发明的方法包括如下步骤S1～S5：