基于手绘的交互式花卉建模研究

摘要

随着虚拟技术的飞速发展,虚拟植物的研究与应用得到了人们越来越多的关注,其研究成果主要用于农林业和非农林业的发展。花卉建模是植物建模的一个重要分支,目前关于花卉建模的主要方法有图形方法、图像方法以及交互式建模方法。但大多数建模方法都操作复杂,且用户需要掌握植物形态学方面的理论知识。为了满足用户能自由创建理想花卉的需求,本文结合交互式建模思想,提出基于手绘的交互式花卉形态建模方法。具体内容如下:
　　 (1)提出一种基于多边形网格的交互式花瓣建模方法。首先根据用户手绘花瓣的轮廓提取二维型值点,然后利用数学方法将二维型值点三维化,再将三维型值点连接成多边形网格,形成初始三维花瓣模型。在此基础上,计算每个顶点的法向量,对模型进行平滑着色、添加光照等真实感处理,最终生成三维花瓣模型。该方法操作简单,用户只需简单的几笔手绘,即可得到理想的结果。
　　 (2)提出一种基于NURBS曲面的交互式花瓣建模方法。首先利用NURBS曲面生成一个初始的花瓣曲面,并将曲面边缘控制点显示在修改平台上;调整平台上的控制点并观察曲面的变化,逐步形成理想的花瓣外形。该方法中,将NURBS曲面控制点中的边缘点与内部点建立了关联,因此在对边缘控制点调整的过程中带动了内部控制点的调整,使得用户只需调整边缘控制点即可完成曲面外形的修改。该方法绘制的花瓣边缘更加光滑,花瓣的纹理添加也更加方便,效果更加逼真。
　　 (3)采用分形方法生成花朵与枝干。花朵与枝干看似结构复杂,但却存在局部与整体的自相似性,满足分形理论,因此分别以单个花瓣和分枝段为分形元,在仿射变换的相关参数控制下,通过迭代,可得到结构复杂的花朵与枝干。该方法足典型的植物建模方法,从简单的分形元出发即可构建复杂的几何模型,得到的结果形象逼真,贴近自然。
　　 (4)结合计算机图形学、植物形态学、数学建模等理论知识,采用面向对象的程序设计思想设计了基于手绘的交互式花卉形态建模系统。该系统包括基于手绘的花瓣建模子系统、基于分形的花朵、花枝生成子系统以及整株花卉生成子系统等功能模块。在花瓣生成之后,用户可以选择花瓣层数和每一层的瓣数以及素材库中提供的花蕊组合成花朵;再根据花的种类与外形,从素材库中选择相应的茎叶或枝干,形成一株完整的鲜花。