基于球B样条函数的烟草叶片虚拟实现.pdf

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1、第27卷第1期2302011年1月农业工程学报TransactionsoftheCSAE、，01．27No．1Jan．2011基于球B样条函数的烟草叶片虚拟实现王芸芸L2，温维亮1，郭新宇蜮，赵国辉2，陆声链1，肖伯祥1(1．国家农业信息化工程技术研究中-D‘／农业部农业信息技术重点开放实验室，北京100097：2．大连理工大学数学科学学院，大连l16024)摘要：植物三维形态的可视化模拟是数字植物研究的基础。该文综合应用球B样条曲线和插值B样条曲面实现了以脉序作为结构骨架的烟草叶片几何建模。首先利用三维数字化仪等数据获取装置获取烟草叶片脉序主要形态特征点的三维坐标

2、和厚度，然后利用球B样条曲线对脉序进行三维建模，生成叶片的形态骨架，与由插值样条生成的叶片曲面合成，实现了烟草叶片的三维重建和真实感显示。结果表明，该方法得到的烟草叶片几何模型与传统方法相比具有较高的真实感，为植物叶片叶脉尺度的高真实感几何建模提供了新的手段。关键词：几何建模，球B样条函数，烟草，叶片doi：10．3969／j．issn．1002—6819．2011．01．037中图分类号：TP391．72文献标志码：A文章编号：1002-6819(2011)-01-0230-06王芸芸，温维亮，郭新宇，等．基于球B样条函数的烟草叶片虚拟实现[J】．农业工程学报，2

3、011，27(1)：230--235．WangYunyun,WenWeiliang，GuoXinyu,eta1．VirtualrealizationoftobaccoleavesbasedonballB—splinefunction[J]．TransactionsoftheCSAE，201l，27(1)：230--235．(inChinesewithEnglishabstrac00引言烟草是一种重要的经济作物，有关烟草的可视化研究尚不多见。叶片作为烟草形态结构的重要组成部分，对其进行叶脉尺度几何建模，一方面，可以通过细致的造型尺度提高烟草几何模型的真实感，另一方面，

4、可以对植物体内物质传输的通道进行模拟，为进一步的农学及生物学研究提供先进的技术手段。目前，国内外有关植物叶片建模的方法有很多，包括L系统【l‘21，粒子系统，基于图像的方法、基于骨架的方法、参数化建模等方法。Peyrat等【3】借助参数化的2GmapL系统，通过一种语法生成不同形状的叶片，并添加颜色渲染与老化处理，生成具有一定真实感的叶片。Rodkaew等卜5】在给定的叶片形状和叶柄点的前提下用粒子系统生成叶脉；Runions掣6J在其基础上添加了一种生物学算法，对叶片生长、生长激素分布和叶脉生成三者之间的相互作用进行了模拟，生成多种逼真的叶脉纹理用于图像合成。Qu

5、aa【7J等提出了一种基于图像的植物几何建模方法，借助不同角度拍摄的图片与三维点云，通过分割修正数据，重构出单个植物叶片几何模型。在骨架建模方法中，Hammel等【8J提出了复叶基于隐式等值面的建模方法，用L系统建立骨架，通过骨架形成隐式等值面来表示叶片轮廓；国内一收稿日期：2010-05．13修订日期：2010-10-29基金项目；北京市自然科学基金项目(4081001)：国家“863”计划课题(2007AAl02224)；农业科技成果转化资金项目(2009GB2A000001)作者简介：王芸芸(19s6一)，女，山东人，主要研究方向为计算数学图形图像处理。大连大

6、连理工大学数学科学学院。116024．Emaillwyy．9．27@163．00111※通信作者z郭新宇(1973一)，男，内蒙古人，研究员，主要研究方向：数字植物理论技术研究。北京国家农业信息化工程技术研究中心，100097．Emaihguoxy(园aercita．org．gn些研究者【9_lo】用Bezier或样条曲线生成叶片轮廓与叶脉(骨架)，并在此基础上进行分片细分形成叶片曲面。此外，借助叶片形态控制参数采用自由曲面造型的方法Dt-13]进行植物叶片的几何建模在农作物叶片几何建模领域中也很常见。以上方法侧重点不同，在植物几何建模与可视化方面各有优势。然而这些

7、方法大多将叶片或叶脉简化成曲面或曲线，适合用于复杂场景的渲染与绘制，却在某种程度上与叶片实际形态结构特征存在一定差距，不能较精细的表达植物叶片的几何模型。事实上，植物叶片并非是一定意义上的曲面，尤其是叶脉，是具有粗细变化的线状柱体，因此，要进行叶片精细化几何建模必须进行叶脉的几何建模。为实现烟草叶片叶脉尺度的几何建模，本文借助球B样条曲线[14-16】生成烟草叶脉，并在此基础上进行叶片曲面的三维建模，得到真实感较强的烟草叶片三维几何模型。1烟草叶片结构与数据获取1．1烟草叶片的结构烟草叶片是烟草形态的重要组成部分，为无托叶的不完全叶。叶片外形各部分【I7】如图1