基于激光輪廓掃描的農(nóng)業(yè)物料三維數(shù)字化重建技術(shù)研究.pdf

1、隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程技術(shù)的快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)物料生長姿態(tài)、顏色等表面形貌的三維重建具有廣闊的應(yīng)用前景。本研究以農(nóng)業(yè)物料（仙人掌模型，黃豆）的表面形貌為研究對象，組建一套三維激光輪廓掃描實驗裝置，獲取農(nóng)業(yè)物料全表面點云的三維坐標(biāo)，基于三角面片化和顏色渲染實現(xiàn)農(nóng)業(yè)物料表面形貌的三維重建。具體研究內(nèi)容如下:
　　將激光輪廓掃描器與電動平移臺及其控制器組裝成三維激光輪廓掃描實驗裝置并編寫控制軟件。其中，激光輪廓掃描器通過網(wǎng)線以192.168.0.

2、x的內(nèi)網(wǎng)IP地址與PC機相連;電動平移臺及其控制器通過RS485串口轉(zhuǎn)USB口連接PC機，設(shè)置其工作參數(shù)和運行參數(shù)，控制平移臺沿Y軸單步位移;在三維激光輪廓掃描控制軟件中，設(shè)置激光強度和曝光時間以及X軸、Z軸的坐標(biāo)區(qū)間。
　　為了消除實驗裝置的系統(tǒng)誤差，對長、寬、高尺寸分別為30mm、9mm、4mm的標(biāo)準(zhǔn)塊進(jìn)行三維輪廓掃描以校準(zhǔn)三維坐標(biāo)軸，方法是:(1)在RF620 SetupProgram中反復(fù)調(diào)整Angle參數(shù)以確定X軸的偏移

3、角，實現(xiàn)X軸與平移臺的平行校準(zhǔn);(2)沿X軸尋找標(biāo)準(zhǔn)塊上、下平面的線點云在Z軸上的突變處，其兩側(cè)點云的X軸坐標(biāo)值之差為標(biāo)準(zhǔn)塊的掃描寬度ΔX，由此計算Y軸的偏移角為arccos(9/ΔX)，實現(xiàn)Y軸與X軸的垂直校準(zhǔn);(3)在Z軸突變處去除附近若干點云噪聲，分別基于標(biāo)準(zhǔn)塊上、下平面線點云的Z軸坐標(biāo)均值和標(biāo)準(zhǔn)差計算標(biāo)準(zhǔn)塊的掃描高度ΔZ，由此計算Z軸的偏移角為arccos(4/ΔZ)，實現(xiàn)Z軸與平移臺的垂直校準(zhǔn)。最后，將農(nóng)業(yè)物料固定于立方體框架

4、中進(jìn)行多視角三維輪廓掃描，基于旋轉(zhuǎn)匹配、坐標(biāo)變換和拼接技術(shù)獲得農(nóng)業(yè)物料全表面點云的三維坐標(biāo)。
　　以農(nóng)業(yè)物料全表面點云中任一點為起點，基于三角形生長算法形成一個Delaunay三角形，該三角形具有空外接圓、凸多邊形外殼和最大角度的性質(zhì)，對每個點及其附近點云進(jìn)行拓?fù)溥B接，直至所有的點與點連接成一個三角面。遍歷每個點之后必然存在重復(fù)連接和誤連接現(xiàn)象，少量尺寸超大的噪聲三角形并不屬于農(nóng)業(yè)物料的表面，以所有三角形外接圓半徑的均值為閾值去除

5、誤連接，準(zhǔn)確獲取農(nóng)業(yè)物料全表面點云的三角面片。對農(nóng)業(yè)物料表面三角面片面積求和，獲取農(nóng)業(yè)物料全表面面積;將三角面片沿Z軸投影形成多個三棱體，求取三角面片的平面方程，對三棱體體積求和，獲取農(nóng)業(yè)物料體積;對農(nóng)業(yè)物料外輪廓X、Z軸線點云進(jìn)行二次多項式擬合，用線點云Z軸的平均誤差對農(nóng)業(yè)物料形態(tài)進(jìn)行分類。
　　用5mm焦距的相機采集農(nóng)業(yè)物料的二維彩色圖像，對其進(jìn)行二值化圖像處理，獲取黑背景下農(nóng)業(yè)物料的二維彩色圖像。將農(nóng)業(yè)物料表面點云的三維坐標(biāo)