[发明专利]一种面向可视化计算的植物器官网格简化方法

说明书

技术领域

本发明属于计算机图形学领域，尤其是涉及一种面向可视化计算的植物器官网格简化方法。

背景技术

植物几何建模是数字植物研究的基础工作，网格模型的数量与质量对以其为载体进行的数字植物可视化计算起着决定性作用，如作物冠层光分布计算、真实感渲染、植物生长和萎蔫变形模拟等。与工业领域相比，植物几何模型具有规则性差、复杂度高、群体网格数量大等特点。

面向可视化计算的网格模型优化一直是智能CAD领域的热点与难点问题，针对不同的需求所采用的算法也各不相同。在许多工程应用中，如有限元数值模拟或复杂模型渲染，由于网格初始剖分、网格初始生成、数据采集等原因导致模型质量较差，为提高效率与精度，要求网格单元在保证网格质量的前提下尽可能稀疏，降低模型大小。有研究面向高效率渲染领域，探讨在满足约束条件下的生成层次（LOD）模型方法；面向有限元仿真领域研究如何进行高质量的网格简化与优化，以提升分析的效率与精度。在计算机图形学领域，有两大类方法可以实现该目标——重新网格化与网格化简。重新网格化的目标是给定一个三角网格，按照特定的质量要求对其进行处理得到一个新的三角网格模型。根据不同目的来划分，重新网格化方法分为结构规则化、各向同性、各向异性、相容、基于特征的重新网格化等。网格化简是为了降低模型尺寸去除“冗余”几何单元的网格处理方法，其中最有代表性的方法是著名的QEM简化算法，具有高效、简单、低存储等诸多优点。由于植物几何建模的相对滞后性与植物结构与器官的复杂性，植物几何模型网格优化方面的研究较少，主要有Remolar等提出面向大规模森林渲染的几何模型简化方法，肖伯祥等针对玉米叶片提出了网格简化功能，赵春江等针对植物器官利用自适应网格化方法进行网格剖分。

从现有技术来看，已有针对植物的网格简化技术只是从网格数量上减少，并没有在减少网格的同时保证网格的质量；而且，植物叶片边缘曲线较为杂乱，且常呈现带状形态，直接采用其他领域的网格简化方法对于植物叶片效果不佳，鲁棒性差。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是：解决将三角形网格模型简化为极少面元时保证模型不产生较大的失真，以适用于数字植物的可视化计算。

本发明所提出的技术方案是：首先对输入的三角形网格模型M采用基于二次误差测度的网格简化方法进行简化，得到简化网格模型M’；然后采用拉普拉斯光顺算子对简化网格模型M’的内部顶点进行光顺操作。

对网格模型Ｍ简化所采用的基于二次误差测度的网格简化方法包括：

S31，输入三角形网格模型M；

S32，计算每个顶点v_i的收缩误差度矩阵Q_i，记顶点v_i的齐次坐标为[v_x v_y v_z1]^T，定义v_i到其邻接三角形集合P(v_i)的欧氏距离平方和为Δ(v_i)，计算公式如下：