[0001] 本实用新型涉及植物动画制作技术领域，特别涉及一种植物叶片动画生成系统。

[0002] 植物动态模拟的目标主要是为游戏、电影、计算机辅助园林和景观设计、生态环境预测与可视化、计算机动画和虚拟场景绘制等众多应用领域提供逼真的效果。在众多模拟研究中，植物叶片的模拟尤其是叶片的动态模拟是尤为重要的，也是比较复杂的，对于叶片的模拟，人们不仅需要形象的真实感，也需要运动的真实感。现有的系统多数关注的是植物整体的模拟，往往忽略细节，如果在细节上(对叶片)更加逼真，那么会使植物动态仿真的整体效果更具有真实感。

[0003] 植物叶片是生活中常见的自然对象，由于叶片的种类繁多，茎叶结构复杂，因此在图形学领域对植物叶片进行模拟是一个艰难的挑战。现有的系统一般关注的是植物本身的模拟，而很少单独关注植物叶片的模拟，即使对叶片进行模拟时，也只是简单的对同一类植物叶片进行动态的仿真，如果更换其他的叶片数据，模拟的结果就难以预料，导致模拟很不稳定，并且模拟的过程比较耗费时间，系统操作比较复杂。

[0004] 目前的系统更多关注植物整体的模拟，而往往忽略细节如叶片的模拟，即使对叶片进行动画模拟时，一般只模拟同一类或某些特殊的植物叶片，达不到普遍性。

[0005] 现有技术将真实世界叶片的物理参数简化为基于物理学的模型进行叶子的动态模拟时，最明显的两个缺点是耗费时间和计算复杂，虽然在力学的角度上模拟的真实性强且精度高，但模拟的代价较高，在效率上有一定的影响，无法生成实时的动画，一般都是离线生成。如果不考虑真实世界叶子的物理参数，虽然会达到实时性，但是模拟的效果不真实，精度上也比较有限。实用新型内容

[0006] 本实用新型提供一种植物叶片动画生成系统，能够对不同种类的植物叶片进行模拟，实时性高，模拟稳定。

[0007] 本实用新型提供了一种植物叶片动画生成系统，包括：摄像机，用于获取植物叶片的图像序列；

[0008] 运动相机，用于捕捉植物叶片运动过程的视频序列；

[0009] 服务器，服务器上设有多个数据接口，所述服务器用于根据植物叶片的图像序列以及摄像机的参数，获得植物叶片的静态模型；

[0010] 用于根据植物叶片运动过程的视频序列获得植物叶片的物理参数；

[0011] 用于根据植物叶片的静态模型和植物叶片的物理参数，采用扩展的位置动力学框架，构建植物叶片的运动模型，根据植物叶片的运动模型，对植物叶片进行动画模拟，生成具有真实感的植物叶片动画；

[0012] 显示器，通过数据接口连接服务器，用于对植物叶片进行动画显示；

[0013] 电源模块，分别与服务器和显示器连接，用于给服务器和显示器供电。

[0014] 进一步地，所述摄像机的参数包括焦距、摄像机的位置和旋转方向；所述植物叶片的物理参数包括植物的阻尼系数、固有频率和弹性模量。

[0015] 进一步地，所述摄像机固定设置在服务器的一侧，所述运动相机固定设置在服务器的另一侧，所述摄像机和运动相机分别通过数据接口与服务器信号连接。

[0016] 进一步地，所述服务器内设有：

[0017] 植物叶片模型生成子系统，对植物叶片的图像序列进行特征点检测和匹配，然后结合摄像机参数进行稀疏点云的重建来获取植物叶片的稠密点云数据，在稠密点云数据的基础上使用泊松曲面重建算法对点云数据进行重建，得到带有细节叶片的三角网格曲面模型。

[0018] 进一步地，所述服务器内设有：

[0019] 植物叶片物理参数获取子系统，从视频序列中获得植物叶片的物理参数。

[0020] 进一步地，所述服务器内设有：

[0021] 植物叶片动画模拟子系统，接收带有细节叶片的三角网格曲面模型和植物叶片的物理参数，采用扩展的位置动力学框架，构建植物叶片的运动模型，根据植物叶片的运动模型，对植物叶片进行动画模拟，生成具有真实感的植物叶片动画。

[0022] 与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：

[0023] 本实用新型首次将基于扩展的位置动力学框架与植物叶片模拟进行结合，解决了现有系统模拟耗费时间的问题，实施过程简单高效，不必进行复杂的操作就可以达到稳定的模拟结果。并在此框架上，构建真实世界多种叶片的物理参数集，对不同种类的叶片进行动画模拟，解决了现有系统只能对单一或者特殊的叶片进行模拟的问题。

[0024] 本实用新型提供一种基于扩展位置动力学的植物叶片动画生成系统，该系统可以对植物叶片的模型和物理参数进行获取，并将叶片的模型和物理参数传输到扩展的位置动力学模块生成叶片动画存储并显示。该装置具有对不同种类的植物叶片都可进行模拟的优点，具有实时性高，模拟稳定的优点。

[0025] 本实用新型提供一个操作简单、实施高效的统一的植物叶片模拟系统，能够对不同种类的植物叶片进行模拟，不局限一类或者某些特殊的叶片，并将真实世界叶片的物理参数与基于扩展的位置动力学框架结合，实时生成更加真实和稳定的叶片动画。

[0031] 下面结合附图1‑3，对本实用新型的一个具体实施方式进行详细描述，但应当理解本实用新型的保护范围并不受具体实施方式的限制。

[0032] 一种基于扩展位置动力学的植物叶片动画生成系统，包括植物叶片模型生成子系统100、植物叶片物理参数获取子系统200以及植物叶片动画模拟子系统300。

[0033] 本实用新型使用摄像机获取植物叶片的图像集，使用运动相机捕捉植物叶片运动过程。采用基于图像的重建方法来获取植物叶片模型，并最终用三角网格曲面来表达植物叶片的三维数字模型。整个系统是以植物叶片模型为基础：摄像机的放置、植物叶片参数的估计、模型中的约束、叶片动画的生成和显示。

[0034] 植物叶片模型生成子系统100对叶片的图像序列进行特征点检测和匹配，然后进行相机参数的确定，最终进行稀疏点云的重建来获取叶片的稠密点云数据，在稠密点云数据的基础上使用泊松曲面重建算法对点云数据进行重建，得到带有细节叶片的三角网格曲面维模型。并将模型通过数据接口传输到植物叶片动画模拟子系统。

[0035] 植物叶片物理参数获取子系统200通过摄像机捕捉叶片的运动过程后，从视频序列中自动推导出叶片的物理参数，包括：植物的阻尼系数、固有频率和弹性模量，然后对物理参数进行构建并将物理参数传输到植物叶片动画模拟子系统。

[0036] 植物叶片动画模拟子系统300负责接收叶片的模型和物理参数，采用扩展的位置动力学框架，寻找植物叶片的二面角约束和距离约束等，将接收到的植物叶片三角网格曲面模型和物理参数结合，构建植物叶片的运动模型，最终生成和显示具有真实感的植物叶片动画。

[0037] 请参阅图1和图2，实用新型由植物叶片模型生成子系统100、植物叶片物理参数获取子系统200和植物叶片动画模拟子系统300组成，三个子系统共用一个服务器。植物叶片模型生成子系统100由摄像机、数据接口和服务器组成。摄像机负责拍照获取植物叶片的图像序列，通过数据接口将图像序列传输到服务器中。植物叶片物理参数获取子系统200由运动相机、数据接口和服务器组成。运动相机捕捉植物叶片的运动过程，将此过程通过数据接口传输到服务器中。植物叶片动画模拟子系统300由显示器、数据接口服务器和电源管理组成。植物叶片动画模拟子系统300根据相应的叶片模型和叶片物理信息，结合扩展的位置动力学框架驱动叶片的三维模型，以生成并显示具有真实感的叶片动画。

[0038] 在本实例中，植物叶片模型生成子系统100、植物叶片物理参数获取子系统200和植物叶片动画模拟子系统300均可以通过有线或者无线的方式连接，植物叶片模型生成子系统100中的摄像机可以安装在服务器的左侧，植物叶片物理参数获取子系统200中的运动相机可以安装在服务器的右侧，植物叶片动画模拟子系统300中的显示器通过数据接口与服务器进行连接，其中的电源管理通过有线的方式与显示器和服务器进行连接，并控制显示器与服务器的启动和关闭。

[0039] 如图2和图3所示，使用时，通过电源管理启动服务器和显示器，使用者使用摄像机对植物叶片进行拍照，获取到植物叶片的图像序列后，调用数据接口将图像序列传输到服务器上，然后打开三维重建软件，以此生成植物叶片的三维曲面网格。使用者使用运动相机捕捉叶片的运动过程，将运动过程通过数据接口传输到服务器，通过服务器进行物理参数估计模块计算出叶片的真实物理参数。然后使用者在服务器上调用扩展的位置动力学框架，将叶片的三维曲面网格模型和叶片的物理参数结合生成具有真实感的叶片动画，最终将生成的动画在显示器上进行显示。

[0040] 所述植物叶片模型生成子系统100、植物叶片物理参数获取子系统200以及植物叶片动画模拟子系统300分别为服务器内的单独处理器。

[0041] 本实用新型使用扩展的位置动力学框架生成植物叶片动画，将扩展的位置动力学框架和真实世界植物叶片的物理参数相结合，形成一个统一的可以对不同种类的植物叶片进行动画模拟的系统。

[0042] 本实用新型植物叶片模型生成功能、植物叶片物理参数提取功能以及动画生成功能三者一体化。

[0043] 本实用新型首次提出一种基于扩展的位置动力学框架下生成植物叶片动画的系统，由于基于位置的动力学方法，是直接基于位置进行计算，忽略了运动的速度层，基于其特性，本实用新型控制性比较好，计算操作简单，与现有技术相比，具有实时性的同时，又可以生成更加稳定的植物叶片动画。

[0044] 本实用新型首次将植物叶片物理参数与扩展的位置动力学框架进行结合来生成植物叶片动画，由于使用的是叶片真实的物理参数，并且材料的动画行为和材料的刚度摆脱了对时间步长和迭代次数的依赖，在生成的结果上更加具有真实感。

[0045] 由于现有技术只针对同一类或者某些特殊的叶片进行动画模拟，不具有普遍性，当更换其他的叶片对象时，生成的动画不稳定，因此本实用新型的优点便是考虑到构建叶片的真实物理参数集，并与扩展的位置动力学框架结合，可以对不同种类的叶片进行动画模拟，具有普遍性。

[0046] 以上公开的仅为本实用新型的几个具体实施例，但是，本实用新型实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本实用新型的保护范围。