基于手绘引导的3D植物叶片形变方法

技术领域

本发明涉及植物可视化与人机交互领域，具体涉及一种基于手绘引导的3D植物叶片形变方法。

背景技术

植物可视化是植物建模的重要组成部分。叶片是植物进行光合作用的主要器官，在植物生长过程中扮演着重要角色。在自然环境中，叶子为了适应环境和自身生长的需要，通常会演变出各种各样的形态，想要找到一种通用的方法来模拟叶片的形态变化具有一定困难，因此植物叶片形变的可视化建模是一个具有挑战性的课题。

目前植物叶片的建模主要有基于图像的叶片建模、基于3D点云数据的叶片建模和基于数字图像的叶片建模。通常情况下，在三维空间对叶片形态进行形变模拟时，大多数人先将其转化为网格模型，然后再对叶片形变进行模拟。但是网格模型结构相对复杂，且计算速度慢，在时间和空间上需要付出很大的代价。

发明内容

针对上述方法存在的问题，本发明提出一种基于手绘引导的3D植物叶片形变方法。通过鼠标在交互界面上绘制出任意形状的目标形变曲线，利用点云的深度映射出叶片侧面弯曲度，使叶片形状无限趋近于目标形变曲线，并尽最大可能保留叶片的纹理信息，使其更接近真实的叶片形状。

为实现上述目的，本发明具体技术方案如下：一种基于手绘引导的3D植物叶片形变的方法，包括如下步骤：

1)用相机拍摄一张简单背景下的植物叶片图像，去除其背景，对原始图像进行预处理；

2)为预处理后的叶片图像绘制任意形状的目标形变曲线，并将形变数据存储到叶片相应位置的深度图中；

3)将步骤1)中预处理后的叶片图像转化为3D点云，并根据步骤2)中存储的形变曲线数据修改点云信息；

4)对步骤3)中形变后的点云孔洞进行修补，得到趋近于目标曲线的3D植物叶片模型。

进一步地，上述步骤1)中，对原始图片进行预处理包括如下步骤：

1.1)用相机拍摄一张简单背景下的植物叶片图像，转步骤1.2)；

1.2)利用公式(1)去除输入图片的背景，获得只保留叶片信息的图像；

C

其中，C

进一步地，上述步骤2)具体包括以下步骤：

2.1)构建一个交互界面，通过该界面生成目标形变曲线形状；

2.2)在交互界面上通过获取鼠标移动中的位置信息得到形变曲线的数据点集；

2.3)利用三阶Bezier曲线公式对数据点集进行曲线拟合，三阶Bezier曲线公式如公式(2)所示：

B(t)＝P

其中，P

2.4)将曲线上的点通过公式(3)与叶片侧面进行一一对应，并存储到与预处理后的叶片图像对应位置的深度图中；

其中，y

进一步地，上述步骤3)中，使叶片侧面形状趋近于目标形变曲线包括以下步骤：

3.1)将步骤1)中预处理后的图像根据公式(4)转化成3D点云，可视化

叶片的初始状态；

其中，(x，y，z)为三维空间中的坐标值，(u，v，d)为二维图像像素的坐标值，f

3.2)将三维空间叶片形变转化为两个二维平面形变的叠加，分为y-z平面和x-z平面；以当前点为圆心，半径r＝1画圆，步骤2)中存储的形变数据为z轴方向的形变位移，根据公式(5)求出x方向或y方向的形变位移，然后依次进行迭代，得到趋近于真实形状的叶片形变点云模型；

进一步地，上述步骤4)中，对点云的孔洞修补包括以下步骤：

4.1)设置点云深度距离阈值α，比较点云x或y方向相邻点的深度值，如果相邻点之间的深度值距离大于阈值α，即S＝|Z

4.2)根据S

4.3)根据S、S

4.4)判断原始3D点云是否遍历结束，如果遍历结束转步骤4.6)，否则转步骤4.5)；

4.5)选取下一个点作为相邻点，转步骤4.1)；

4.6)所有点云孔洞修补完成，存储数据，得到修补好的3D点云模型。

跟现有方法相比，本发明基于手绘引导的3D模拟植物叶片形变方法可以通过手绘引导的方式使叶片发生任意形状的变化。首先，在3D建模中不需要将其转化为网状结构即可模拟叶片的形变，可以节省很大的内存存储空间，提高计算的速度；其次，该方法具有很大的灵活性，通过手绘可以绘制出任意形状的变化；最后，根据目标形状可以在三维空间中真实的模拟叶片形状。

附图说明

图1为基于手绘引导的3D植物叶片形变的方法流程图。

图2为孔洞修补方法流程图。

图3为叶片的预处理图。

图4为叶片目标形变曲线的手绘图。

图5为叶片的三维目标形变图。

具体实施方式

下面结合附图和实施实例对本发明作进一步描述。

如图1所示的基于手绘引导的3D植物叶片形变的方法流程图，包括如下步骤：

1)用相机拍摄一张简单背景下的植物叶片图像，去除其背景，对原始图像进行预处理，预处理之后的叶片图像如图3所示；

2)为预处理后的叶片图像绘制任意形状的目标形变曲线，叶片目标形变曲线的手绘图如图4所示，并将形变数据存储到叶片相应位置的深度图中；

3)将步骤1)中预处理后的叶片图像转化为3D点云，并根据步骤2)中存储的形变曲线数据修改点云信息；

4)对步骤3)中形变后的点云孔洞进行修补，得到趋近于目标曲线的3D植物叶片模型，叶片的三维目标形变图如图5所示。

作为本发明的优选实施例，步骤1)中，对原始图片进行预处理包括如下步骤：

1.1)用相机拍摄一张简单背景下的植物叶片图像，转步骤1.2)；

1.2)利用公式(1)去除输入图片的背景，获得只保留叶片信息的图像；

C

其中，C

作为本发明的优选实施例，步骤2)具体包括以下步骤：

2.1)构建一个交互界面，通过该界面生成目标形变曲线形状；

2.2)在交互界面上通过获取鼠标移动中的位置信息得到形变曲线的数据点集；

2.3)利用三阶Bezier曲线公式对数据点集进行曲线拟合，三阶Bezier曲线公式如公式(2)所示：

B(t)＝P

其中，P

2.4)将曲线上的点通过公式(3)与叶片侧面进行一一对应，并存储到与预处理后的叶片图像对应位置的深度图中；

其中，y

作为本发明的优选实施例，在步骤3)中，使叶片侧面形状趋近于目标形变曲线包括以下步骤：

3.1)将步骤1)中预处理后的图像根据公式(4)转化成3D点云，可视化

叶片的初始状态；

其中，(x，y，z)为三维空间中的坐标值，(u，v，d)为二维图像像素的坐标值，f

3.2)假设只对叶子y轴方向进行形变，可发现x轴方向坐标保持不变，对x轴方向形变亦是如此，因此，将三维空间叶片形变转化为两个二维平面形变的叠加，分为y-z平面和x-z平面；对二维平面进行形变求解时，以当前点为圆心，半径r＝1画圆，步骤2)中存储的形变数据为z轴方向的形变位移，根据公式(5)求出x方向或y方向的形变位移，然后依次进行迭代，得到趋近于真实形状的叶片形变点云模型；

作为本发明的优选实施例，如图2所示，在步骤4)中，对点云的孔洞修补包括以下步骤：

4.1)通过可视化步骤3中得到的点云，可观察到，点云是按照非常规律的行、列进行排列，因此设置深度距离阈值α，比较x或y方向相邻点的深度值，如果相邻点之间的深度值距离大于阈值α，即S＝|Z

4.2)根据S

4.3)根据S、S

4.4)判断原始3D点云是否遍历结束，如果遍历结束转步骤4.6)，否则转步骤4.5)；

4.5)选取下一个点作为相邻点，转步骤4.1)；

4.6)所有点云孔洞修补完成，存储数据，得到修补好的3D点云模型。