植物生長動(dòng)畫合成方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種植物生長動(dòng)畫合成方法，包括如下步驟：獲取植物器官生長序列，所述植物器官生長序列記錄了植物器官從萌發(fā)到凋零整個(gè)生命周期內(nèi)的不同時(shí)刻的生長變化狀態(tài)和與相鄰器官的連接關(guān)系、相對(duì)時(shí)間關(guān)系和相對(duì)空間關(guān)系；根據(jù)所述生長變化狀態(tài)、與相鄰器官的連接關(guān)系、相對(duì)時(shí)間關(guān)系和相對(duì)空間關(guān)系，采用增量的方式合成植物生長動(dòng)畫。上述植物生長動(dòng)畫合成方法，在合成植物生長動(dòng)畫時(shí)不僅僅考慮到植物形體的形態(tài)變化，而且能夠根據(jù)植物相鄰器官的連接關(guān)系、生長發(fā)育的相對(duì)時(shí)間關(guān)系以及生長發(fā)育的相對(duì)空間關(guān)系處理其結(jié)構(gòu)性的變化，從而逼真地再現(xiàn)了植物的生長過程。
【專利說明】植物生長動(dòng)畫合成方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及動(dòng)畫合成【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是涉及一種植物生長動(dòng)畫合成方法。

【背景技術(shù)】
[0002]植物的生長動(dòng)畫廣泛用于電影、游戲等領(lǐng)域以構(gòu)建隨時(shí)間變化的虛擬場景。植物形體隨時(shí)間的變化不僅包含因受力(比如風(fēng)吹)或應(yīng)激(比如含羞草被觸碰后的閉合反應(yīng))等引起的形態(tài)變化，還包含因植物自身生長而引起的結(jié)構(gòu)變化(比如出芽、分枝和開花等)。通過三維建模軟件人工制作逼真的植物生長動(dòng)畫不僅需要一幀一幀地建模植物的形態(tài)變化，還需要一幀一幀地建模植物的結(jié)構(gòu)變化，因此是極其耗時(shí)耗力的。基于語法規(guī)則的程序化植物生長動(dòng)畫合成不需要或者僅需要少量人工干預(yù)，但是語法規(guī)則的表達(dá)能力有限，難以生成逼真的生長動(dòng)畫效果。
[0003]動(dòng)作捕獲技術(shù)是生成動(dòng)畫的重要手段，并被廣泛地用于生成人臉及人體運(yùn)動(dòng)動(dòng)畫。這些技術(shù)的基本思路都是通過采集人臉或者人體運(yùn)動(dòng)中一些控制點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，建立這些控制點(diǎn)和人臉或者人體模型中控制點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，然后用采集的控制點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)來驅(qū)動(dòng)人臉或者人體數(shù)據(jù)。因?yàn)槿四樆蛉梭w的結(jié)構(gòu)并不會(huì)發(fā)生巨大的改變，因此控制點(diǎn)能夠很好地描述人臉或人體的結(jié)構(gòu)變化，從而有效地將動(dòng)作捕獲的數(shù)據(jù)用于生成動(dòng)畫。
[0004]現(xiàn)有動(dòng)畫合成技術(shù)主要針對(duì)人臉或者是人體，這些形體在相當(dāng)長時(shí)間內(nèi)都只有形態(tài)變化，而不具有結(jié)構(gòu)性的變化，因此，現(xiàn)有的方法都假設(shè)形體不具有結(jié)構(gòu)性的變化。植物在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)會(huì)不斷生有器官生發(fā)或者凋零，其形體結(jié)構(gòu)會(huì)經(jīng)常性地變化，違背了現(xiàn)有技術(shù)的假設(shè)，導(dǎo)致現(xiàn)有方法不能有效處理植物的情況。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]基于此，有必要提供一種能夠有效合成植物生長動(dòng)畫的植物生長動(dòng)畫合成方法。
[0006]一種植物生長動(dòng)畫合成方法，包括如下步驟:
[0007]獲取植物器官生長序列，所述植物器官生長序列記錄了植物器官從萌發(fā)到凋零整個(gè)生命周期內(nèi)的不同時(shí)刻的生長變化狀態(tài)和與相鄰器官的連接關(guān)系、相對(duì)時(shí)間關(guān)系和相對(duì)空間關(guān)系；
[0008]根據(jù)所述生長變化狀態(tài)、與相鄰器官的連接關(guān)系、相對(duì)時(shí)間關(guān)系和相對(duì)空間關(guān)系，采用增量的方式合成植物生長動(dòng)畫。
[0009]在其中一個(gè)實(shí)施例中，在所述獲取植物器官生長序列的步驟之前，包括如下步驟:
[0010]植物器官生長序列預(yù)處理，獲取植物生長的時(shí)空四維模型為原始數(shù)據(jù)，并將植物的所有器官單獨(dú)分割。
[0011]在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述獲取植物器官生長序列的步驟包括:
[0012]根據(jù)植物不同器官的接觸關(guān)系確定植物器官與相鄰器官的連接關(guān)系。
[0013]在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述獲取植物器官生長序列的步驟還包括:
[0014]根據(jù)植物器官的父子結(jié)構(gòu)，將相鄰兩個(gè)植物器官分別確定為父器官和子器官。
[0015]在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述根據(jù)植物不同器官的接觸關(guān)系確定植物器官與相鄰器官的連接關(guān)系的步驟包括:
[0016]檢測植物器官連接關(guān)系圖是否為樹形結(jié)構(gòu)，如果植物器官連接關(guān)系圖不為樹形結(jié)構(gòu)，將植物器官連接關(guān)系圖中非樹形結(jié)構(gòu)的連接關(guān)系斷開。
[0017]在其中一個(gè)實(shí)施例中，在所述獲取植物器官生長序列的步驟中，以父器官的生命周期來標(biāo)記子器官的生長發(fā)育時(shí)間，得到植物器官與相鄰器官的相對(duì)時(shí)間關(guān)系。
[0018]在其中一個(gè)實(shí)施例中，在所述獲取植物器官生長序列的步驟中，在父器官的位置建立局部坐標(biāo)系，標(biāo)記子器官在生命周期中和父器官的連接點(diǎn)的位置以及朝向，得到植物器官與相鄰器官的相對(duì)空間關(guān)系。
[0019]在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述采用增量的方式合成植物生長動(dòng)畫的步驟包括:
[0020]判斷當(dāng)前植物生長動(dòng)畫是否已經(jīng)合成有植物器官，如果有，則在當(dāng)前合成的植物生長動(dòng)畫的基礎(chǔ)上計(jì)算并合成下一時(shí)刻的植物生長動(dòng)畫。否則，選取最早生發(fā)的植物器官的生長序列加入植物生長動(dòng)畫中。
[0021]在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述在當(dāng)前合成的植物生長動(dòng)畫的基礎(chǔ)上計(jì)算并合成下一時(shí)刻的植物生長動(dòng)畫的步驟包括:
[0022]預(yù)設(shè)一相似度閾值，查詢與當(dāng)前父器官相似度大于所述相似度閾值的植物器官，并找到與當(dāng)前父器官相似度大于所述相似度閾值的植物器官的子器官對(duì)應(yīng)的生長序列，將所述子器官對(duì)應(yīng)的生長序列加入當(dāng)前植物生長動(dòng)畫的合成結(jié)果中。
[0023]在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述在當(dāng)前合成的植物生長動(dòng)畫的基礎(chǔ)上計(jì)算并合成下一時(shí)刻的植物生長動(dòng)畫的步驟中，與當(dāng)前父器官相似度大于所述相似度閾值的植物器官的子器官對(duì)應(yīng)的生長序列有若干個(gè)，且隨機(jī)選擇一個(gè)所述子器官對(duì)應(yīng)的生長序列加入當(dāng)前植物生長動(dòng)畫的合成結(jié)果中。
[0024]上述植物生長動(dòng)畫合成方法，在合成植物生長動(dòng)畫時(shí)不僅僅考慮到植物形體的形態(tài)變化，而且能夠根據(jù)植物相鄰器官的連接關(guān)系、生長發(fā)育的相對(duì)時(shí)間關(guān)系以及生長發(fā)育的相對(duì)空間關(guān)系處理其結(jié)構(gòu)性的變化，從而逼真地再現(xiàn)了植物的生長過程。

【具體實(shí)施方式】
[0025]為了解決目前動(dòng)畫合成技術(shù)不能有效地對(duì)植物生長進(jìn)行逼真的動(dòng)畫合成的問題，本實(shí)施方式提供了一種植物生長動(dòng)畫合成方法。下面結(jié)合具體的實(shí)施例，對(duì)植物生長動(dòng)畫合成方法進(jìn)行具體的描述。
[0026]在本實(shí)施方式中，植物生長動(dòng)畫合成方法主要包括如下兩個(gè)步驟:
[0027](I)植物器官生長序列預(yù)處理；
[0028](2)植物生長動(dòng)畫時(shí)空合成。
[0029]其中，植物器官生長序列預(yù)處理的步驟首先要獲取植物生長的時(shí)空四維模型以得到原始數(shù)據(jù)。植物生長的時(shí)空四維模型可以從實(shí)際植物的生長過程中采集。然后從原始數(shù)據(jù)中將植物的所有器官單獨(dú)分割，并獲取植物器官生長序列，植物器官生長序列記錄了植物器官從萌發(fā)到凋零整個(gè)生命周期內(nèi)的不同時(shí)刻的生長變化狀態(tài)和與相鄰器官的連接關(guān)系、相對(duì)時(shí)間關(guān)系和相對(duì)空間關(guān)系。植物相鄰器官通常都形成父子結(jié)構(gòu)，每個(gè)植物器官通常都連接到其父結(jié)構(gòu)(比如葉子連接到葉柄)，但父結(jié)構(gòu)可能連接了多個(gè)子結(jié)構(gòu)(比如葉柄可能連接到多個(gè)葉子)。在提取植物器官的各種信息的時(shí)候，只需要考慮父子結(jié)構(gòu)即可，這樣可以使得處理流程得到大大的簡化。在這種父子關(guān)系中，處于父結(jié)構(gòu)的器官可以確定為父器官，相應(yīng)的，處于子結(jié)構(gòu)的器官可以確定為子器官。
[0030]在獲取植物器官生長序列的步驟中?？梢酝ㄟ^計(jì)算植物不同器官的接觸關(guān)系確定植物器官與相鄰器官的連接關(guān)系，但是接觸關(guān)系可能不完全對(duì)應(yīng)于正確的連接關(guān)系。比如兩個(gè)器官只是在空間上碰到了一起，但是他們之間沒有實(shí)際的連接關(guān)系，此時(shí)可以通過檢測植物器官連接關(guān)系圖(植物器官連接關(guān)系圖由所有植物器官之間的連接關(guān)系形成)是否為樹形結(jié)構(gòu)來判斷基于接觸關(guān)系建立的連接關(guān)系是否正確。如果器官連接關(guān)系圖不為樹形結(jié)構(gòu)，可以通過人工干預(yù)來斷開器官連接關(guān)系圖中的環(huán)形結(jié)構(gòu)以確保植物器官連接關(guān)系正確。
[0031]在建立正確的植物器官連接關(guān)系之后，可以建立植物器官與相鄰器官的相對(duì)時(shí)間關(guān)系。顯然，子器官的生命周期小于或者等于父器官的生命周期，可以以父器官的生命周期來標(biāo)記子器官的生長發(fā)育時(shí)間。比如，某葉片可能是在葉柄生命周期的第20%處開始萌發(fā)，第80%處枯萎，即表示該葉片是在葉柄長出來一段時(shí)間之后才開始萌發(fā)，而早于葉柄枯萎。這種相對(duì)時(shí)間關(guān)系的確定，非常有助于確定何時(shí)需要在植物生長動(dòng)畫中插入一個(gè)新的植物器官。
[0032]為了確定在植物生長動(dòng)畫中插入新的植物器官的位置和朝向，還需要在植物器官生長序列預(yù)處理的步驟中確定植物器官與相鄰器官的相對(duì)空間關(guān)系。同樣，因?yàn)樽悠鞴偈情L在父器官上的，所以可以在父器官的位置建立局部坐標(biāo)系，標(biāo)記子器官在生命周期中和父器官的連接點(diǎn)的位置以及朝向。對(duì)于葉子和葉柄，顯然，葉子將始終連接到葉柄的頂端，這種情況下只需要記錄葉子和葉柄的朝向信息即可，但對(duì)于枝干的分支則需要同時(shí)記錄兩個(gè)枝干連接點(diǎn)的位置及朝向。
[0033]在完成植物器官生長序列預(yù)處理的步驟之后，便可以執(zhí)行植物生長動(dòng)畫時(shí)空合成的步驟。
[0034]在植物生長動(dòng)畫時(shí)空合成的步驟中，首先要判斷當(dāng)前植物生長動(dòng)畫是否已經(jīng)合成有植物器官。如果當(dāng)前還沒有任何植物器官生長序列被合成到生長動(dòng)畫中，則選取植物生長的時(shí)空四維模型中最早生發(fā)的植物器官的生長序列加入合成生長動(dòng)畫中。如果當(dāng)前已經(jīng)合成了一些植物生長動(dòng)畫，則需要根據(jù)當(dāng)前的合成結(jié)果中父器官的基礎(chǔ)上計(jì)算并合成下一時(shí)刻的植物生長動(dòng)畫。植物器官每一個(gè)時(shí)刻是三維結(jié)構(gòu)，植物器官生長序列則是在此基礎(chǔ)上加上時(shí)間維度而形成的四維數(shù)據(jù)。兩個(gè)植物器官生長序列的相似性可以通過計(jì)算這兩個(gè)植物器官生長序列在四維空間的距離來度量，如果距離較小，則說明兩個(gè)序列相似性較高；反之，則相似性較低。因此，可以預(yù)設(shè)一相似度閾值，查詢與當(dāng)前父器官相似度大于該相似度閾值的植物器官，并找到與當(dāng)前父器官相似度大于該相似度閾值的植物器官的子器官對(duì)應(yīng)的生長序列，將這些子器官對(duì)應(yīng)的生長序列隨機(jī)選擇一個(gè)加入當(dāng)前植物生長動(dòng)畫的合成結(jié)果中。這樣便會(huì)使植物生長動(dòng)畫合成的結(jié)果不斷變化，使得虛擬場景中的植物不斷“生長”，同時(shí)還能夠保證合成結(jié)果和實(shí)際植物的生長情況具有較高的相似性。另外，在選取這些子器官的時(shí)候，我們?cè)试S一定的相似性范圍，從而使候選子器官數(shù)目大于1，并從中隨機(jī)選取一個(gè)加入合成結(jié)果，這樣可以避免在合成結(jié)果中出現(xiàn)明顯重復(fù)的時(shí)空結(jié)構(gòu)。在確定待加入合成結(jié)果的器官之后，可以根據(jù)子器官和父器官的相對(duì)時(shí)間和空間關(guān)系確定子器官萌發(fā)的具體時(shí)間、在父器官上的連接點(diǎn)以及相對(duì)父器官的朝向信息。
[0035]根據(jù)植物器官生長變化狀態(tài)、與相鄰器官的連接關(guān)系、相對(duì)時(shí)間關(guān)系和相對(duì)空間關(guān)系，采用增量的方式合成植物生長動(dòng)畫結(jié)果中的每一個(gè)植物器官生長序列都不斷隨時(shí)間發(fā)生形態(tài)變化，同時(shí)在植物生長動(dòng)畫合成結(jié)果中不斷加入的新的植物器官生長序列使得植物生長動(dòng)畫合成結(jié)果不僅存在形態(tài)變化，而且隨著植物的生長發(fā)育發(fā)生結(jié)構(gòu)變化。這兩方面的變化使得合成的生長動(dòng)畫能夠很好地逼近原始數(shù)據(jù)。
[0036]上述植物生長動(dòng)畫合成方法，在合成植物生長動(dòng)畫時(shí)不僅僅考慮到植物形體的形態(tài)變化，而且能夠根據(jù)植物相鄰器官的連接關(guān)系、生長發(fā)育的相對(duì)時(shí)間關(guān)系以及生長發(fā)育的相對(duì)空間關(guān)系處理其結(jié)構(gòu)性的變化，從而逼真地再現(xiàn)了植物的生長過程。
[0037]以上所述實(shí)施例僅表達(dá)了本發(fā)明的幾種實(shí)施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并不能因此而理解為對(duì)本發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。因此，本發(fā)明專利的保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。
【權(quán)利要求】
1.一種植物生長動(dòng)畫合成方法，其特征在于，包括如下步驟: 獲取植物器官生長序列，所述植物器官生長序列記錄了植物器官從萌發(fā)到凋零整個(gè)生命周期內(nèi)的不同時(shí)刻的生長變化狀態(tài)和與相鄰器官的連接關(guān)系、相對(duì)時(shí)間關(guān)系和相對(duì)空間關(guān)系; 根據(jù)所述生長變化狀態(tài)、與相鄰器官的連接關(guān)系、相對(duì)時(shí)間關(guān)系和相對(duì)空間關(guān)系，采用增量的方式合成植物生長動(dòng)畫。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的植物生長動(dòng)畫合成方法，其特征在于，在所述獲取植物器官生長序列的步驟之前，包括如下步驟: 植物器官生長序列預(yù)處理，獲取植物生長的時(shí)空四維模型為原始數(shù)據(jù)，并將植物的所有器官單獨(dú)分割。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的植物生長動(dòng)畫合成方法，其特征在于，所述獲取植物器官生長序列的步驟包括: 根據(jù)植物不同器官的接觸關(guān)系確定植物器官與相鄰器官的連接關(guān)系。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的植物生長動(dòng)畫合成方法，其特征在于，所述獲取植物器官生長序列的步驟還包括: 根據(jù)植物器官的父子結(jié)構(gòu)，將相鄰兩個(gè)植物器官分別確定為父器官和子器官。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的植物生長動(dòng)畫合成方法，其特征在于，所述根據(jù)植物不同器官的接觸關(guān)系確定植物器官與相鄰器官的連接關(guān)系的步驟包括: 檢測植物器官連接關(guān)系圖是否為樹形結(jié)構(gòu)，如果植物器官連接關(guān)系圖不為樹形結(jié)構(gòu)，將植物器官連接關(guān)系圖中非樹形結(jié)構(gòu)的連接關(guān)系斷開。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的植物生長動(dòng)畫合成方法，其特征在于，在所述獲取植物器官生長序列的步驟中，以父器官的生命周期來標(biāo)記子器官的生長發(fā)育時(shí)間，得到植物器官與相鄰器官的相對(duì)時(shí)間關(guān)系。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的植物生長動(dòng)畫合成方法，其特征在于，在所述獲取植物器官生長序列的步驟中，在父器官的位置建立局部坐標(biāo)系，標(biāo)記子器官在生命周期中和父器官的連接點(diǎn)的位置以及朝向，得到植物器官與相鄰器官的相對(duì)空間關(guān)系。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的植物生長動(dòng)畫合成方法，其特征在于，所述采用增量的方式合成植物生長動(dòng)畫的步驟包括: 判斷當(dāng)前植物生長動(dòng)畫是否已經(jīng)合成有植物器官，如果有，則在當(dāng)前合成的植物生長動(dòng)畫的基礎(chǔ)上計(jì)算并合成下一時(shí)刻的植物生長動(dòng)畫。否則，選取最早生發(fā)的植物器官的生長序列加入植物生長動(dòng)畫中。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的植物生長動(dòng)畫合成方法，其特征在于，所述在當(dāng)前合成的植物生長動(dòng)畫的基礎(chǔ)上計(jì)算并合成下一時(shí)刻的植物生長動(dòng)畫的步驟包括: 預(yù)設(shè)一相似度閾值，查詢與當(dāng)前父器官相似度大于所述相似度閾值的植物器官，并找到與當(dāng)前父器官相似度大于所述相似度閾值的植物器官的子器官對(duì)應(yīng)的生長序列，將所述子器官對(duì)應(yīng)的生長序列加入當(dāng)前植物生長動(dòng)畫的合成結(jié)果中。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的植物生長動(dòng)畫合成方法，其特征在于，所述在當(dāng)前合成的植物生長動(dòng)畫的基礎(chǔ)上計(jì)算并合成下一時(shí)刻的植物生長動(dòng)畫的步驟中，與當(dāng)前父器官相似度大于所述相似度閾值的植物器官的子器官對(duì)應(yīng)的生長序列有若干個(gè)，且隨機(jī)選擇一個(gè)所述子器官對(duì)應(yīng)的生長序列加入當(dāng)前植物生長動(dòng)畫的合成結(jié)果中。
【文檔編號(hào)】G06T13/60GK104282034SQ201310277627
【公開日】2015年1月14日 申請(qǐng)日期:2013年7月3日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月3日
【發(fā)明者】李揚(yáng)彥, 陳寶權(quán), 范曉晨 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院