本發(fā)明涉及三維植物的計算機造型領(lǐng)域，尤其涉及一種基于手繪的三維可打印實體鮮花自由造型方法。

背景技術(shù)：

3D植物建模和相關(guān)生態(tài)學(xué)模擬已有相當廣泛的研究。這些研究工作包括了植物結(jié)構(gòu)和形狀創(chuàng)建、植物可視化、生長動畫模擬、外力影響下的植物運動模擬以及實時渲染等。然而，由于植物形態(tài)的復(fù)雜性以及不同植物外觀之間的巨大差異性，植物建模依舊是三維建模領(lǐng)域公認的難點和熱點。

L-system是一個非常典型的基于規(guī)則的植物建模方法。L-system是通過一條公理和一組生成規(guī)則來描述一個對象的結(jié)構(gòu)，因此它又被稱為L-system文法。通過文法的反復(fù)疊代，最終能生成對象結(jié)構(gòu)的符號表示。更進一步的，通過海龜作圖方法，符號化表示的對象結(jié)構(gòu)就能夠可視化。L-system建模要求用戶掌握L-system形式化方法和相關(guān)文法知識。又由于這種基于規(guī)則建模方法的輸入，文法和各種參數(shù)和用戶腦海中的所設(shè)想的輸出，3D結(jié)構(gòu)和幾何外觀十分不同，因此新手用戶適應(yīng)這種建模方法有些困難。

由于基于文法的建模對用戶知識要求較高且建模過程參數(shù)調(diào)整繁瑣，因此為了簡化植物建模過程和降低對用戶的知識要求，基于圖像重構(gòu)的幾何造型方法也被提出來。該方法只要求用戶指定枝干分割點，而骨架提取、相機定位以及枝干拓撲結(jié)構(gòu)都是從圖像中自動還原。另外還有基于圖像交互分割的植物建模方法，該方法首先要求用戶從不同視角對植物進行拍攝，接著系統(tǒng)利用標準運動還原方法還原照相參數(shù)和植物的三維點云，然后系統(tǒng)利用交互方法分割葉、花、枝干的圖像區(qū)域和空間點云，再通過重構(gòu)方法構(gòu)建植物模型。以上方法都和初始拍攝角度、拍攝效果緊密相關(guān)，因此構(gòu)建出的植物模型容易失真。

以上所有的植物建模方法都沒有考慮模型的3D可打印性，這些方法生成的植物模型只能用來渲染或者做環(huán)境展示，另外以上建模方法交互復(fù)雜，按鈕、菜單眾多，要求用戶輸入大量參數(shù)，對用戶的三維建模基礎(chǔ)知識要求較高。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

基于以上描述，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：為了解決現(xiàn)有的三維鮮花造型交互復(fù)雜，生成的模型無法用3D打印機打印，為此本發(fā)明提出了一種交互簡易的基于手繪的可打印三維實體鮮花的造型方法。

本發(fā)明提出一種基于手繪接口的、忠實于植物學(xué)形態(tài)的三維實體鮮花建模方法，技術(shù)方案如下：

將三維鮮花造型分成四個步驟：花序建模、花朵建模、花建模和花實體化。

(1)在花序建模時，將建模過程分解成花序結(jié)構(gòu)布局創(chuàng)建與編輯，莖實體的三維手繪創(chuàng)建與編輯兩個過程。再通過拖拽方式將三維莖映射到花序結(jié)構(gòu)圖上，完成花序建模。

(2)在花朵建模時，將建模過程分解成花朵結(jié)構(gòu)布局創(chuàng)建與編輯，雄蕊、雌蕊和花瓣的三維手繪創(chuàng)建與編輯兩個過程。

(3)再通過拖拽方式將三維雄蕊、雌蕊和花瓣映射到花朵結(jié)構(gòu)圖上，完成花朵建模。此時再通過將花朵映射到花序結(jié)構(gòu)圖，從而將三維的花朵擺放到花莖上，完成鮮花建模。

(4)在花實體化時，自動地通過花瓣漲形、輸精管-花粉囊合并、莖-莖合并、以及花朵內(nèi)部合并的過程將原有模型密閉，從而使生成的鮮花模型可以打印成真實的三維模型。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。

圖1是本發(fā)明的整個造型流程圖。

圖2是本發(fā)明的預(yù)定義的四種基本花序類型結(jié)構(gòu)圖。

圖3是本發(fā)明的花序結(jié)構(gòu)圖的可編輯幾何參數(shù)以及可編輯區(qū)域圖。

圖4是本發(fā)明的嫁接手勢生成的復(fù)合花序結(jié)構(gòu)圖。

圖5是本發(fā)明的將三維莖的一筆畫創(chuàng)建和編輯方法圖。

圖6是本發(fā)明的將三維莖映射到花序的方法圖。

圖7是本發(fā)明的花朵結(jié)構(gòu)圖和可編輯區(qū)域圖。

圖8是本發(fā)明的三維雄蕊的兩筆畫創(chuàng)建和編輯方法圖。

圖9是本發(fā)明的三維雌蕊的兩筆畫創(chuàng)建和編輯方法圖。

圖10是本發(fā)明的三維花瓣的兩筆畫創(chuàng)建和編輯方法圖。

圖11是本發(fā)明的三維花瓣的空間編輯方法圖。

圖12是本發(fā)明的將三維雄蕊、雌蕊、花瓣映射到花朵結(jié)構(gòu)圖生成的三維花朵。

圖13是本發(fā)明的將三維花朵、莖映射到花序結(jié)構(gòu)圖生成的三維鮮花圖。

圖14是本發(fā)明的利用層次細節(jié)技術(shù)生成的三維鮮花圖。

圖15是本發(fā)明的花瓣膨脹算法生成的實體花瓣。

圖16是本發(fā)明的利用切割平面和約束德洛奈實現(xiàn)的莖-莖合并。

圖17是本發(fā)明的利用切割平面和約束德洛奈實現(xiàn)的雄蕊合并。

圖18是本發(fā)明的利用雄蕊、雌蕊、花瓣底部的平面映射和約束德洛奈實現(xiàn)的花朵內(nèi)部合并。

圖19是本發(fā)明的利用莖-莖合并以及花朵內(nèi)部合并生成的最終可打印三維鮮花模型。

具體實施方式

現(xiàn)在結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細的說明。這些附圖均為實際操作示意圖，從而顯示與本發(fā)明有關(guān)的構(gòu)成。

為了更好的表達本具體實施方式，在其他證明文件中特別提交了說明書附圖的彩色圖片。

如圖1所示，本發(fā)明提供了一種基于手繪的三維可打印實體鮮花自由造型方法，方法將花建模分成四個過程：花序建模、花朵建模、花建模和花實體化。

如圖2所示，在花序建模中，本發(fā)明提供了四種基本的花序結(jié)構(gòu)模板：總狀、傘狀、二歧聚傘和鐮狀聚傘花序。

如圖3所示，在花序建模中，本發(fā)明提供了直接在花序結(jié)構(gòu)圖上對花序進行編輯的方法，用戶可以直接拖拽圖3中A-H區(qū)域，從而直接在結(jié)構(gòu)圖上編輯花序的各項幾何參數(shù)。

在花序結(jié)構(gòu)圖中，本發(fā)明提供了圖3所示的九種幾何參數(shù)和兩種特征參數(shù)。幾何參數(shù)包括了莖根部位置坐標P₀,莖高度H_s，莖底部高度H_b，相鄰分支高度差H_d，分支長度L_b，分枝與父分支垂直正向夾角α_v，分枝與父分支旋轉(zhuǎn)正向夾角α_r(未在圖中列出)，花朵半徑R_b，相鄰分支長度比r_L，相鄰花朵半徑比r_R，以及花序度數(shù)N。特征參數(shù)包括了花序的有限或無限標志，向陽或喜陰標志。事實上，過多參數(shù)設(shè)置不利于用戶交互，尤其當參數(shù)都需要通過鍵盤完成時，這種操作不直觀且設(shè)置復(fù)雜的缺點更加明顯。因此本發(fā)明提供給用戶一種直觀、合理的編輯手段，本發(fā)明利用手繪中的拖拽手勢設(shè)計了如圖3所示的九個編輯手勢區(qū)域A-H。

如圖4所示，在花序建模中，本發(fā)明提供了映射手勢，通過將一個花序拖拽到另一個花序上，從而創(chuàng)建出復(fù)合花序。為了實現(xiàn)整體編輯和嫁接，本發(fā)明的花序結(jié)構(gòu)采用含有父節(jié)點的二叉樹實現(xiàn)。

如圖5所示，本發(fā)明提供莖實體的一筆畫創(chuàng)建方式，通過一筆畫生成一條掃描路徑，從而創(chuàng)建一個掃描類型的網(wǎng)格實體，掃描截面線采用圓。為了調(diào)整莖/分支的粗細，系統(tǒng)在該軌跡的首尾處繪制了兩個圓弧，用戶可以通過拖拽圓弧邊界的方法調(diào)整首尾部分的粗細程度，而中間部分的粗細度是由首尾處粗細度線性差值獲得。用戶還可以對路徑進行取代手勢的編輯。

如圖6所示，在花序建模中，本發(fā)明提供了將三維莖映射到花序結(jié)構(gòu)圖分支的手勢，從而在花序上構(gòu)建出三維莖。系統(tǒng)將自動通過平移、旋轉(zhuǎn)和縮放操作將莖的三維實體合理地映射到花序結(jié)構(gòu)圖中的分支上。這里依舊使用拖拽手勢表示映射意圖。花序結(jié)構(gòu)圖中被拖拽映射分支的所有子分支都將被映射。被映射的莖實體依舊可以編輯，當用替代手勢編輯完分支實體輪廓后，還要將該分支的所有子分支的三維實體重新粘附到該分支表面，從而保證父分支實體與子分支實體在空間上的相關(guān)性。

如圖7所示，本發(fā)明提供了花朵結(jié)構(gòu)圖和對應(yīng)的編輯區(qū)域，其中綠色三角形代表花瓣、紅色圓形代表雌蕊，藍色雙圓形代表雄蕊，用戶可以拖拽圖6中A-H區(qū)域，從而編輯花朵結(jié)構(gòu)的各項幾何參數(shù)。本發(fā)明提供了花朵結(jié)構(gòu)圖中的十二種幾何參數(shù)和兩種特征參數(shù)。幾何參數(shù)包括花瓣距花朵中心距離，花瓣豎直方向夾角，花瓣相對于花朵中心旋轉(zhuǎn)角，花瓣大小參數(shù)，花瓣數(shù)目參數(shù)，雄蕊距花朵中心距離，雄蕊豎直方向夾角，雄蕊相對于花朵中心旋轉(zhuǎn)角，雄蕊大小參數(shù)，雄蕊數(shù)目參數(shù)，以及雌蕊中心坐標,雌蕊大小參數(shù)。需要指出的是這里默認雌蕊的個數(shù)不超過1，并且雌蕊中心就是整個花朵的中心?；ǘ涮卣鲄?shù)包括了是否雌雄同株和是否夜間開放。和花序結(jié)構(gòu)圖編輯操作方式一樣，本發(fā)明提供九個拖拽區(qū)域A-H從而編輯以上各個幾何參數(shù)，如圖8所示，本發(fā)明提供了雄蕊實體的兩筆畫創(chuàng)建方法，其中的一筆畫生成一條掃描路徑從而創(chuàng)建一個掃描類型的網(wǎng)格實體，掃描截面采用圓。另一筆畫生成一個封閉的膨脹網(wǎng)格實體。掃描體和膨脹體分別表示花柱和柱頭。本發(fā)明還提供了對筆畫再次編輯的方式從而對雄蕊實體進行編輯。

如圖9所示，本發(fā)明提供了雌蕊實體的兩筆畫創(chuàng)建方法，其中的一筆畫生成一條旋轉(zhuǎn)軸，另一筆畫生成輪廓線，從而創(chuàng)建一個旋轉(zhuǎn)網(wǎng)格體。本發(fā)明還提供了筆畫再次編輯的方式對雌蕊實體進行編輯。

如圖10所示，本發(fā)明提供了花瓣的兩筆畫創(chuàng)建方法，其中的一筆畫生成花瓣左邊邊界，另一筆畫生成花瓣右邊邊界，兩個邊界在頂端和底端交叉，從而生成花瓣的平面網(wǎng)格。本發(fā)明還提供了筆畫再次編輯的方式對平面花瓣進行編輯。如圖11所示，通過對輪廓和軸線的手繪編輯，將花瓣編輯成三維空間網(wǎng)格。

如圖12所示，本發(fā)明提供了將三維的雄蕊、雌蕊和花瓣分別映射到對應(yīng)的花朵結(jié)構(gòu)圖中的圓、三角和雙圓，從而完成花朵的建模。系統(tǒng)將自動通過平移、旋轉(zhuǎn)和縮放操作將三維實體擺放到花朵結(jié)構(gòu)圖中合理的位置。映射依舊是通過拖拽手勢完成的。

如圖13所示，本發(fā)明提供了將三維的花朵、三維的莖拖拽到花序結(jié)構(gòu)圖中的球和線段從而實現(xiàn)三維映射，完成鮮花建模。在花朵映射到花序結(jié)構(gòu)圖過程中，算法將會在相應(yīng)的 莖/分支三維實體的頂端中心擺放花朵，其擺放角度將滿足雌蕊旋轉(zhuǎn)軸和莖/分支軸線頂端切矢平行，為了增加真實感，本發(fā)明提供的映射還在此基礎(chǔ)上偏移一個隨機角度，被映射后花朵中的任意三維實體仍然可以繼續(xù)手繪編輯。

如圖14所示，本發(fā)明在映射過程中根據(jù)結(jié)構(gòu)圖上目標對象的大小自動設(shè)置花朵的層次細節(jié)簡化比例。只有雄蕊上的花藥采用傳統(tǒng)的幾何簡化方法，其它所有元素都采用結(jié)構(gòu)簡化。例如，對于雌蕊來說，因為其結(jié)構(gòu)是由旋轉(zhuǎn)體構(gòu)成的，所以這里通過減少輪廓的離散點數(shù)并重構(gòu)旋轉(zhuǎn)網(wǎng)格以達到簡化目的。

當以上基本三維鮮花模型完成后，本發(fā)明接著對初始模型進行實體化操作，其中包括花瓣實體化、分支-分支實體化、雄蕊實體化以及花朵內(nèi)部實體化。

如圖15所示，本發(fā)明通過一種花瓣漲形算法，將花瓣曲面向上、下兩方向分別膨脹，然后均勻離散成兩片網(wǎng)格，再通過拓撲關(guān)系合并，最終的花瓣網(wǎng)格將是一個密閉實體網(wǎng)格。圖15展示了不同膨脹比率生成的實體花瓣形態(tài)。

如圖16所示，本發(fā)明通過一種莖-莖合并算法合并父子分支。首先確定莖-莖之間的切割平面，然后裁剪莖，再通過約束德洛奈算法將兩個多邊形構(gòu)建成一片過渡網(wǎng)格，最終的莖-莖之間將是一片幾何相連的網(wǎng)格。

如圖17所示，本發(fā)明通過一種輸精管-花粉囊合并算法合并雄蕊。首先確定雄蕊的花粉囊和輸精管之間的切割平面，然后裁剪輸精管和花粉囊，再通過約束德洛奈算法將兩個多邊形構(gòu)建成一片過渡網(wǎng)格，最終的花粉囊和輸精管之間將是一片幾何相連的網(wǎng)格

如圖18所示，本發(fā)明通過一種花朵內(nèi)部合并算法，將雄蕊、雌蕊、花瓣與莖合并在一起，方法是利用約束德洛奈算法將雄蕊、雌蕊、花瓣以及莖的開放邊界多邊形構(gòu)建出一片橋接網(wǎng)格區(qū)域，從而實現(xiàn)雄蕊、雌蕊、花瓣以及莖的三維網(wǎng)格在幾何和拓撲上的自動合并。

如圖19所示，本發(fā)明通過上述所示的實體化方法，將一個不可打印的手繪鮮花模型轉(zhuǎn)換成一個可以用3D打印機快速成型的實體手繪鮮花模型。