一種植物動(dòng)態(tài)虛擬仿真方法及系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)領(lǐng)域，尤其設(shè)及一種植物動(dòng)態(tài)虛擬仿真方法及系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 植物虛擬建模與仿真是當(dāng)前植物學(xué)、農(nóng)學(xué)和計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究等領(lǐng)域中所面臨的重 要難點(diǎn)問(wèn)題，特別是高精度高真實(shí)感的植物動(dòng)態(tài)建模與仿真更加復(fù)雜，與此同時(shí)，隨著虛擬 植物在科學(xué)研究、虛擬展示、游戲娛樂(lè)、園藝景觀設(shè)計(jì)等典型應(yīng)用中不斷深入，傳統(tǒng)的植物 虛擬建模與仿真方法無(wú)法滿(mǎn)足各領(lǐng)域?qū)χ参飫?dòng)態(tài)虛擬仿真的要求，植物對(duì)象的=維動(dòng)態(tài)模 擬和動(dòng)畫(huà)合成已經(jīng)發(fā)展成為一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題。提出準(zhǔn)確高效的植物動(dòng)態(tài)仿真方法，建立高精 度高真實(shí)感植物動(dòng)態(tài)虛擬模型，包括=維形態(tài)模型和動(dòng)態(tài)物理模型，并準(zhǔn)確計(jì)算模型各項(xiàng) 物理參數(shù)不僅具有重要意義，也具有廣泛的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
[0003] 植物動(dòng)態(tài)虛擬仿真方法和模型主要包括基于規(guī)則的動(dòng)態(tài)心系統(tǒng)方法，參數(shù)化建模 方法、基于圖像的建模方法、基于物理的建模方法和基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的建模方法。其中基于物 理的建模方法由于其能夠在較大程度上模擬物體的真實(shí)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，在剛體、織物、自然現(xiàn)象 等多種場(chǎng)合得到較為廣泛的應(yīng)用，在植物虛擬仿真中得到初步的應(yīng)用，可基本實(shí)現(xiàn)植物動(dòng) 態(tài)過(guò)程仿真的模擬，此類(lèi)方法難點(diǎn)在于難W準(zhǔn)確定義物理模型參數(shù)W及計(jì)算參數(shù)的值，從 而使仿真效果和精度存在較大局限性。
[0004] 現(xiàn)有的基于物理模型的植物葉片萎黨模擬方法中設(shè)及基于物理的建立植物葉片 =維模型。所述方法包括步驟:構(gòu)建=維植物葉片模型的體素集，體素集包括多個(gè)用于模擬 植物葉片葉肉內(nèi)部細(xì)胞的六面體單元;將體素集轉(zhuǎn)化為質(zhì)點(diǎn)彈黃模型;對(duì)質(zhì)點(diǎn)彈黃模型施 加外力后，模擬計(jì)算六面體單元中各個(gè)頂點(diǎn)的位移;根據(jù)六面體單元中各個(gè)頂點(diǎn)的位移，插 值出葉片模型中=角網(wǎng)格的頂點(diǎn)的坐標(biāo)。所述方法，通過(guò)=維模型構(gòu)造體素集，基于該體素 集構(gòu)建的質(zhì)點(diǎn)彈黃模型是多層的，與真實(shí)植物葉片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加貼近，并且質(zhì)點(diǎn)彈黃之 間連接更加穩(wěn)定;采用了隱式紐馬克積分算法可W在大步長(zhǎng)下進(jìn)行模擬，保證了模型能夠 進(jìn)行實(shí)時(shí)的可視化模擬。
[0005] 現(xiàn)有的基于物理模型的植物虛擬仿真建模方法是基于質(zhì)點(diǎn)彈黃模型的模擬，根據(jù) 經(jīng)驗(yàn)值提前指定物理參數(shù)，根據(jù)虛擬仿真視覺(jué)效果定性評(píng)價(jià)運(yùn)動(dòng)過(guò)程的真實(shí)感，然后通過(guò) 交互修改模型參數(shù)的方式。模型構(gòu)建及參數(shù)選擇具有較大主觀性，從而限制了模型的普適 性，也限制了虛擬仿真的效果和精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是:現(xiàn)有的植物虛擬仿真方法中建立的模型精度低導(dǎo) 致仿真效果差的問(wèn)題。
[0007] 為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明一方面提出了一種植物動(dòng)態(tài)虛擬仿真方法，該植物 動(dòng)態(tài)虛擬仿真方法包括：
[000引根據(jù)植物的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)建立植物的質(zhì)點(diǎn)彈黃模型，確定質(zhì)點(diǎn)數(shù)量和質(zhì)點(diǎn)質(zhì)量；
[0009] 在連續(xù)的運(yùn)動(dòng)捕捉時(shí)間序列內(nèi)，根據(jù)所述植物上的運(yùn)動(dòng)捕捉特征點(diǎn)捕捉所述植物 的運(yùn)動(dòng)，并記錄捕捉到的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)帖；
[0010] 分析所述運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)帖，獲取所述質(zhì)點(diǎn)彈黃模型的參數(shù)，進(jìn)行植物動(dòng)態(tài)虛擬仿真。
[0011] 可選地，所述質(zhì)點(diǎn)彈黃模型由多個(gè)彈黃構(gòu)成，所述彈黃兩端的頂點(diǎn)為質(zhì)點(diǎn)。
[0012] 可選地，在所述在連續(xù)的運(yùn)動(dòng)捕捉時(shí)間序列內(nèi)，根據(jù)所述植物上的運(yùn)動(dòng)捕捉特征 點(diǎn)捕捉所述植物的運(yùn)動(dòng)之前，還包括：
[0013] 在所述植物上布設(shè)運(yùn)動(dòng)捕捉特征點(diǎn)，所述運(yùn)動(dòng)捕捉特征點(diǎn)的布設(shè)方式與所述質(zhì)點(diǎn) 彈黃模型的質(zhì)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)。
[0014] 可選地，所述質(zhì)點(diǎn)彈黃模型的參數(shù)包括彈黃的彈性系數(shù)、彈黃的原始長(zhǎng)度和質(zhì)點(diǎn) 的阻尼系數(shù)。
[0015] 可選地，所述質(zhì)點(diǎn)彈黃模型具體為：
[0016] M /-*4- D P+ KP = /,
[0017] 其中，P為模型S維點(diǎn)集，K為模型剛度系數(shù)， 為模型S維點(diǎn)集的運(yùn)動(dòng)過(guò)程的 速度，D為模型質(zhì)點(diǎn)的阻尼系數(shù)，
為模型=維點(diǎn)集的運(yùn)動(dòng)過(guò)程的加速度，M為模型質(zhì) 量矩陣，f為模型所受外力總和。
[0018] 可選地，所述分析所述運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)帖，獲取所述質(zhì)點(diǎn)彈黃模型的參數(shù)包括：
[0019] 求解下述線性方程組，獲取所述質(zhì)點(diǎn)彈黃模型的彈黃的彈性系數(shù)ki、彈黃的原始 長(zhǎng)度di和質(zhì)點(diǎn)的阻尼系數(shù)kd;
[0021] 其中，彈黃在無(wú)外力作用下的受力方程為；如巧十足,,.；+";2=";;;111為質(zhì)點(diǎn) i=\ 的質(zhì)量，；為加速度矢量，為速度矢量，ki為第i個(gè)連接彈黃的彈性系數(shù)，Ii為第i個(gè)連接彈 黃的當(dāng)前長(zhǎng)度，di為第i個(gè)連接彈黃的原始長(zhǎng)度，巧為第i個(gè)彈黃的另一端連接質(zhì)點(diǎn)與該質(zhì) 點(diǎn)構(gòu)成的矢量的單位矢量，kd為阻尼系數(shù)，J (0,0.-9.8)7為重力加速度矢量。
[0022] 可選地，該方法還包括利用最小二乘法對(duì)質(zhì)點(diǎn)彈黃模型的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。
[0023] 可選地，所述利用最小二乘法對(duì)質(zhì)點(diǎn)彈黃模型的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化包括：
[0024] 求解質(zhì)點(diǎn)彈黃模型的參數(shù)使下式的值最?。?br>[0026] 其中，T為運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)帖的帖數(shù)，N為質(zhì)點(diǎn)彈黃模型參數(shù)的個(gè)數(shù)，J為質(zhì)點(diǎn)個(gè)數(shù)。
[0027] 可選地，所述確定質(zhì)點(diǎn)數(shù)量和質(zhì)點(diǎn)質(zhì)量包括：
[0028] 將所述植物分為N個(gè)部分，確定所述植物的N個(gè)質(zhì)點(diǎn)，分別測(cè)量每個(gè)質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量；
[0029] 其中，N為大于1的整數(shù)。
[0030] 另一方面，本發(fā)明還提出了一種植物動(dòng)態(tài)虛擬仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括：
[0031] 質(zhì)點(diǎn)彈黃模型建立單元，用于根據(jù)植物的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)建立植物的質(zhì)點(diǎn)彈黃模型，確 定質(zhì)點(diǎn)數(shù)量和質(zhì)點(diǎn)質(zhì)量；
[0032] 植物運(yùn)動(dòng)記錄單元，用于在連續(xù)的運(yùn)動(dòng)捕捉時(shí)間序列內(nèi)，根據(jù)所述植物上的運(yùn)動(dòng) 捕捉特征點(diǎn)捕捉所述植物的運(yùn)動(dòng)，并記錄捕捉到的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)帖；
[0033] 動(dòng)態(tài)虛擬仿真單元，用于分析所述運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)帖，獲取所述質(zhì)點(diǎn)彈黃模型的參數(shù)，進(jìn) 行植物動(dòng)態(tài)虛擬仿真。
[0034] 本發(fā)明通過(guò)建立物理模型參數(shù)與植物真實(shí)物理運(yùn)動(dòng)之間的量化關(guān)系，有效保證物 理模型參數(shù)的合理性和準(zhǔn)確性，提高了植物虛擬仿真的效果。
【附圖說(shuō)明】
[0035] 通過(guò)參考附圖會(huì)更加清楚的理解本發(fā)明的特征和優(yōu)點(diǎn)，附圖是示意性的而不應(yīng)理 解為對(duì)本發(fā)明進(jìn)行任何限制，在附圖中：
[0036] 圖1示出了本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的植物動(dòng)態(tài)虛擬仿真方法的流程示意圖；
[0037] 圖2示出了本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的植物動(dòng)態(tài)虛擬仿真方法的原理示意圖；
[0038] 圖3示出了本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的植物動(dòng)態(tài)虛擬仿真方法的質(zhì)點(diǎn)彈黃模型的連接方 式的示意圖；
[0039] 圖4示出了本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的植物動(dòng)態(tài)虛擬仿真方法的運(yùn)動(dòng)捕捉特征點(diǎn)的示意 圖；
[0040] 圖5示出了本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的植物動(dòng)態(tài)虛擬仿真方法的質(zhì)點(diǎn)受力分析的示意 圖；
[0041 ]圖6示出了本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的植物動(dòng)態(tài)虛擬仿真系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0042] 下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0043] 圖1示出了本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的植物動(dòng)態(tài)虛擬仿真方法的流程示意圖。如圖1所 示，該植物動(dòng)態(tài)虛擬仿真方法包括：
[0044] SI:根據(jù)植物的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)建立植物的質(zhì)點(diǎn)彈黃模型，確定質(zhì)點(diǎn)數(shù)量和質(zhì)點(diǎn)質(zhì)量；
[0045] S2:在連續(xù)的運(yùn)動(dòng)捕捉時(shí)間序列內(nèi)，根據(jù)所述植物上的運(yùn)動(dòng)捕捉特征點(diǎn)捕捉所述 植物的運(yùn)動(dòng)，并記錄捕捉到的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)帖；
[0046] S3:分析所述運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)帖，獲取所述質(zhì)點(diǎn)彈黃模型的參數(shù)，進(jìn)行植物動(dòng)態(tài)虛擬仿 真。
[0047] 本實(shí)施例的植物動(dòng)態(tài)虛擬仿真方法通過(guò)建立物理模型參數(shù)與植物真實(shí)物理運(yùn)動(dòng) 之間的量化關(guān)系，有效保證物理模型參數(shù)的合理性和準(zhǔn)確性，提高了植物虛擬仿真的效果。
[0048] 在一種可選的實(shí)施方式中，所述質(zhì)點(diǎn)彈黃模型由多個(gè)彈黃構(gòu)成，所述彈黃兩端的 頂點(diǎn)為質(zhì)點(diǎn)。
[0049] 圖2示出了本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的植物動(dòng)態(tài)虛擬仿真方法的原理示意圖。如圖2所 示，本實(shí)施例首先根據(jù)植物拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)建立基于質(zhì)點(diǎn)彈黃模型的植物動(dòng)態(tài)物理模型，按植物 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)合理確定質(zhì)點(diǎn)數(shù)量和質(zhì)量值，W及質(zhì)點(diǎn)的連接關(guān)系，連接的參數(shù)為待定。然后選取 同類(lèi)植物對(duì)象作為目標(biāo)，利用運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)，在同類(lèi)器官上布設(shè)特征標(biāo)記點(diǎn)，通過(guò)外力作用 使目標(biāo)發(fā)生形變，并記錄各特征標(biāo)記點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡;對(duì)運(yùn)動(dòng)捕捉數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，根據(jù)物理模 型建立運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析模型，可通過(guò)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)求解物理模型的參數(shù)，從而得到完整 的基于數(shù)據(jù)的植物動(dòng)態(tài)物理模型;最后根據(jù)求解出的物理模型進(jìn)行植物動(dòng)態(tài)虛擬仿真模擬 和動(dòng)畫(huà)合成。
[0050] 圖3示出了本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的植物動(dòng)態(tài)虛擬仿真方法的質(zhì)點(diǎn)彈黃模型的連接方 式的示意圖。如圖3所示，W玉米葉片為例，