一种玉米雌穗三维形态虚拟建模方法

摘要

本发明公开了一种玉米雌穗三维形态虚拟建模方法，该方法包括步骤：观测玉米雌穗形态结构，确定玉米雌穗三维形态的特征参数；根据所述特征参数建立玉米雌穗的三维虚拟形态模型，其中分别对雌穗轴线、果穗柄、穗轴、苞叶和籽粒进行建模。本发明将现代计算机图形技术与现代农业科学和生产过程相结合，对于不同玉米品种，通过设置模型参数，即可在计算机上实现雌穗的三维显示，具有较强的真实感效果。该模型可控性强，易于操作，可满足玉米雌穗数字化设计的需要。

说明书

技术领域

本发明涉及计算机图形学中三维建模和虚拟农业技术领域，特别是涉及农作物三维形态虚拟建模与数字化设计技术领域。

背景技术

随着农业信息化技术的快速发展，新兴的虚拟现实技术在农业领域也越来越多地得到应用，特别值得一提的是，虚拟农业已经成为我国农业发展的一个重要趋势，虚拟农业不但可以将农业作物数字化，而且还能够为科研者提供方便的交互性操作与观察等，对于推动农业发展有着巨大的作用。虚拟现实技术在农业领域的广泛应用，在计算机上以三维可视的方式分析、研究和设计农作物的形态结构和生长过程已经成为可能，对农作物形态结构的研究已经进入到数字化、可视化的阶段。作物数字化设计研究中一个重要的基础工作是植株或器官的形态建模，玉米因其结构简单、形态特征明显等原因引起了研究者较大的兴趣，关于玉米叶片、根系几何造型的研究已有较多。

雌穗是玉米主要器官之一，发挥着重要的生理功能，且其形态在品种间存在着显著的差异，因而玉米雌穗几何造型和数字化设计对于玉米的虚拟化研究具有较为重要的意义，然而，目前尚无关于玉米雌穗几何造型和数字化设计方面的成熟方法，传统的计算机辅助设计建模方法和通用建模软件工具难以适应特定需求的玉米雌穗模型的构建，而且不具有作物生理特征，不符合农业知识背景。

发明内容

(一)发明目的

本发明的目的是将现代计算机图形技术和农业信息化相结合，从而提供一种玉米雌穗三维形态虚拟建模方法。

(二)发明内容

一种玉米雌穗三维形态虚拟建模方法，其特征在于，包括步骤：

S1：观测玉米雌穗形态结构，确定玉米雌穗三维形态的特征参数；

S2：根据所述特征参数建立玉米雌穗的三维虚拟形态模型。

其中，所述步骤S2包括：

S201：建立玉米雌穗的雌穗轴线模型；

S202：建立玉米雌穗的果穗柄模型；

S203：建立玉米雌穗的雌穗穗轴模型；

S204：建立玉米雌穗的雌穗苞叶模型；

S205：建立玉米雌穗的雌穗籽粒模型。

其中，所述步骤S201包括：

用一段直线和一段圆弧来描述雌穗轴线，需要确定的参数为直线部分的长度和圆弧部分的半径及弧长，所述轴线将作为后期整个雌穗设计建模的基准。

其中，所述果穗柄由节和节间组成。

其中，所述步骤S202包括：

用圆建立节的模型，用圆台建立节间虚拟模型；

建立中轴线为直线的果穗柄模型，需要确定的参数为果穗柄节数和各节间长度比例，各节间长度的总和与雌穗轴线圆弧部分的弧长相等；

将所述直线轴线的果穗柄模型的各节以雌穗轴线的圆弧部分为参照目标进行旋转、平移变换，实现各节间的弯曲变形，变形后使整个果穗柄模型中轴线与雌穗轴线的圆弧部分吻合，弯曲变形后每一节间中轴线弧长，即弯曲的节间长度与变形前对应的节间长度相等。

其中，所述步骤S203包括：

用圆锥体来建立雌穗穗轴顶端部分模型，用圆台来建立雌穗穗轴其它部分模型，圆台高度与圆锥高度的和与雌穗轴线直线部分的长度相等；

圆锥体和圆台的中轴线与雌穗轴线直线部分重合，圆锥体位于圆台的顶部，为层叠关系；

根据雌穗穗轴上籽粒的穗行数和行粒数在雌穗穗轴体的中轴线和截面方向分别划分网格，确定网格交点为籽粒生长点。

其中，所述步骤S204包括：

用垂直于雌穗轴线的圆来模拟雌穗苞叶基部封闭部分的横截面；

用垂直于雌穗轴线的圆弧来模拟雌穗苞叶上部不封闭部分的横截面；

按照果穗柄建模时轴线弯曲变换的方法来实现苞叶的弯曲。

其中，所述步骤S205包括：

建立玉米籽粒的多面体三维形态模型；

调整多面体顶点来反映不同籽粒的三维形态特征。

(三)有益效果

本发明将现代计算机图形技术与现代农业科学和生产过程相结合，根据农作物数据建模需求，通过分析玉米雌穗的形态结构特征，构造出符合农业知识和玉米生长、生理特性的描述玉米雌穗三维形态的数学模型，实现可用、实用的专业建模方法，开发实用工具具有重要的实际意义和广阔的应用前景。对于不同玉米品种，通过设置模型参数，即可在计算机上实现雌穗的三维显示，具有较强的真实感效果。该模型可控性强，易于操作，可满足玉米雌穗数字化设计的需要。

附图说明

图1是本发明玉米雌穗三维形态虚拟建模方法流程图；

图2是玉米雌穗形态结构示意图；

图3是雌穗轴线描述示意图；

图4是雌穗果穗柄建模示意图；

图5是雌穗穗轴建模示意图；

图6是玉米苞叶截面示意图；

图7是玉米苞叶三维建模示意图；

图8是玉米籽粒三维形态示意图；

图9是重建的三维玉米雌穗模型效果图。

具体实施方式

本发明提出的玉米雌穗三维形态虚拟建模方法，结合附图和实施例说明如下。

如图1所示，本发明方法的流程图，步骤S1是观测玉米雌穗形态结构，如图2示出了玉米雌穗形态结构示意图。确定玉米雌穗三维形态的特征参数，例如果穗长：30cm、果穗直径：10cm、果穗柄长度：14cm、果穗柄弯曲度：中、果穗柄节数：10、苞叶覆盖度：中、穗粒行数：12、每行粒数：40、籽粒排列形式：直、秃尖率：0.11、籽粒颜色：黄/橙。

步骤S2是根据特征参数建立玉米雌穗的三维形态虚拟模型，包括如下步骤：

S201为建立玉米雌穗的雌穗轴线模型，如图3所示，将雌穗穗轴的中轴线MN和果穗柄中轴线NP连接来模拟雌穗轴线。其中可看出雌穗穗轴高位d，果穗柄中轴线弧半径为R，圆心角为α。

S202为建立玉米雌穗的果穗柄模型，如图4所示，用圆台建立果穗柄节和节间模型，从而形成果穗柄中轴线为直线的果穗柄模型，如图4(a)所示，其中轴线为N′P′。之后将初始果穗柄模型进行旋转、平移变换，实现弯曲变形。具体实现方法如下：对于初始模型上的任一点V′，设定其所在初始中轴线的垂直截面与初始中轴线的交点O′为初始基点。初始中轴线与Z轴重合，初始基点即为与该点Z坐标相等的Z轴上的点(点O′)，计算实际中轴线上与初始基点对应的点O(满足实际中轴线NP上的相对弧长l与初始中心线上的高度h相等)，并将这一点作为实际基点，如图4(b)。计算实际中轴线在实际基点处的切线斜率，进而计算出实际中轴线在该处旋转的角度，即为对V′进行旋转变换的角度，对V′进行从初始基点O′到实际基点O的平移变换，旋转轴为实际基点O所在的与中轴线所在平面垂直的直线，最终得到变换后的点V。通过对模型上逐点进行上述的平移和旋转实现果穗柄的弯曲变形。

S203为建立玉米雌穗的雌穗穗轴模型，如图5所示，采用圆锥体来模拟穗轴顶端部分，其它部位采用圆台体来模拟，如图5(a)所示，确定模型参数包括穗轴基部半径Ra、顶端半径ra、穗轴体高度Ha、顶部锥体高度ha，使之满足穗轴直径、长度等相关参数限制。如图5(b)所示，根据雌穗生理特征，籽粒行数、每行粒数对穗轴进行网格划分，确定籽粒生长点。

S204为建立玉米雌穗的雌穗苞叶模型，如图6、图7所示，苞叶具体建模过程如下：用垂直于雌穗轴线的圆来模拟雌穗苞叶基部封闭部分的横截面，其横截面为截面圆，用垂直于雌穗轴线的圆弧来模拟雌穗苞叶上部不封闭部分的横截面，其横截面为截面圆弧。如图6(a)所示，由于中轴线已经确定，截面圆参数只由半径Rh1就可以唯一确定苞叶截面形状，截面圆弧参数除了半径Rh2外，还需要使用截面圆弧方位角θ(截面圆弧中点处至坐标系Z轴的水平连线与坐标系X轴之间夹角)和截面圆弧长圆心角ω(截面圆弧在该截面内所对应的圆心角)两个参数来决定弧长和方位，如图6(b)所示，从而确定截面圆弧形状和位置。如图7所示，先以直线为雌穗轴线来确定苞叶的轮廓线，以苞叶底部为基点，建立相对于高度h的苞叶截面圆和截面圆弧的参数关系，包括半径Rh1(h)、Rh2(h)、截面圆弧方位角θ(h)和截面圆弧长圆心角ω(h)(见图7(a))，图7(b)为随h值变化所构造出的截面圆和截面圆弧，根据构造的截面圆和截面圆弧进一步可以构造出轴线为直线时的苞叶模型(见图7(c))；最后按照果穗柄建模时轴线弯曲变换的方法来实现苞叶的弯曲，完成对苞叶的形态模拟。

S205为建立玉米雌穗的雌穗籽粒模型，如图8所示，使用多面体表示玉米籽粒三维形态，设定籽粒相关模型参数使之符合玉米雌穗的生理特征参数，包括籽粒颜色、籽粒形状、籽粒排列形式、籽粒行数、每行粒数等，通过调整多面体顶点来反映不同籽粒的三维形态特征。图8示出了单个籽粒的多面体线框模型，模型用两个端点参数P0和P4，中部的3组点P1[8]、P2[8]、P3[8]来描述籽粒截面形状。由每组8个点构成的八边形决定了单个籽粒不同位置的截面形状，当需要表示籽粒之间的差异时，只需改变定义单个籽粒的这组点即可。将籽粒模型与穗轴模型相结合即可以组装成生长着籽粒的果穗模型。

经过以上建模过程和步骤，根据玉米雌穗的生理特征，设定相应的虚拟模型三维形态特征参数，利用建模系统平台，最终能够获得特定品种的三维玉米雌穗虚拟模型，如图9所示。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。