植物形態(tài)三維掃描系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、分析植物的形態(tài)結(jié)構(gòu)對(duì)研究植物的生長(zhǎng)規(guī)律具有重要的理論意義,對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中選種、配種、套種和提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)量等有著重要的指導(dǎo)作用。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展,三維信息獲取技術(shù)使獲取植物形態(tài)的三維數(shù)字化模型成為可能,而這將為研究植物的生理形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能提供非常有用的直觀分析工具。
　　本論文旨在研制一整套植物形態(tài)三維掃描系統(tǒng),該系統(tǒng)能夠建立植物形態(tài)的三維數(shù)字化模型,并在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行三維顯示。其主要工作過(guò)程為,將植物固定在轉(zhuǎn)臺(tái)上,由計(jì)算機(jī)控制

2、轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn),同時(shí)使用攝像機(jī)拍攝植物的全方位二維數(shù)字圖像,采用基于圖像的三維建模算法對(duì)采集的序列圖像進(jìn)行處理,得到植物的表面點(diǎn)的空間坐標(biāo)信息,生成點(diǎn)云文件,將點(diǎn)云三角網(wǎng)格化,建立三維模型,顯示三維立體模型,并將三維數(shù)字化結(jié)果生成標(biāo)準(zhǔn)格式文件以方便讀取和顯示。
　　本論文設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的總體方案,搭建了硬件平臺(tái),為圖像采集和獲取植物形態(tài)的三維數(shù)字化模型提供了必須的硬件條件;完成了軟件系統(tǒng),能夠?qū)τ布O(shè)備和掃描過(guò)程進(jìn)行控制,實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)各個(gè)功能

3、模塊,包含有圖像采集模塊,定標(biāo)模塊、三維重建模塊和三維顯示模塊。其中,本論文著重對(duì)三維掃描系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)即三維重建算法開(kāi)展了深入研究。
　　真實(shí)植物形態(tài)的三維幾何外形能夠用可見(jiàn)外殼來(lái)表征,計(jì)算可見(jiàn)外殼的算法分為基于體素的三維重建算法和基于表面的三維重建算法兩大類。基于體素的算法較簡(jiǎn)單穩(wěn)定但重建結(jié)果不夠準(zhǔn)確,而基于表面的算法的重建結(jié)果較精確但魯棒性不強(qiáng)。為了在利用了基于表面重建的這類方法的優(yōu)點(diǎn)的同時(shí),保持基于體素重建的這類方法的簡(jiǎn)

4、單和穩(wěn)健性,本文提出了一種基于可見(jiàn)邊的三維重建快速算法。該方法首先提取植物形態(tài)的輪廓,計(jì)算每個(gè)輪廓頂點(diǎn)對(duì)應(yīng)的可見(jiàn)射線,然后將三維空間中的相交問(wèn)題映射到二維圖像平面,計(jì)算可見(jiàn)邊,最后由可見(jiàn)邊抽取植物形態(tài)的三維數(shù)字化模型。該方法能夠快速地重建出相對(duì)精確的三維數(shù)字化模型,實(shí)驗(yàn)證明了方法的重建速度較快,該方法適合于需要實(shí)時(shí)建立植物形態(tài)的三維數(shù)字化模型的應(yīng)用場(chǎng)合。
　　為了得到較精確的三維數(shù)字化模型,本文提出了一種基于線模型的三維重建準(zhǔn)確算

5、法。該方法從多個(gè)側(cè)影輪廓重建出八叉樹(shù)結(jié)構(gòu)表示的包圍盒,對(duì)每個(gè)邊緣體素來(lái)建立線模型,計(jì)算出線模型上在輪廓上連續(xù)的點(diǎn),由這些點(diǎn)構(gòu)造出物體的三維數(shù)字化模型。該方法是基于體素的三維重建方法,但是它也采用了基于表面的三維重建方法的思想,通過(guò)線模型直接計(jì)算可見(jiàn)外殼的表面點(diǎn)。該方法綜合了基于體素的三維重建方法和基于表面的三維重建方法的優(yōu)點(diǎn),避免了各自的缺點(diǎn),能夠重建出精確的三維數(shù)字化模型,并且較穩(wěn)健,實(shí)驗(yàn)證明了該方法的重建結(jié)果精度較高,該方法適合于需

6、要建立植物形態(tài)的精確三維數(shù)字化模型的應(yīng)用場(chǎng)合。
　　建立植物根莖的三維數(shù)字化模型在精細(xì)化農(nóng)業(yè)中有著重要意義,為了快速地建立非常精準(zhǔn)的植物根莖的三維數(shù)字化模型,本文提出了一種適用于重建植物根莖的三維重建快速算法。該方法屬于基于體素的重建可見(jiàn)外殼的方法。該方法以植物的根莖的三維骨架上的點(diǎn)來(lái)構(gòu)造線模型,這些基于植物根莖的三維骨架而構(gòu)造的線模型表征了植物根莖所在的三維空間,并有效地將其離散化。根據(jù)圖像中輪廓的連續(xù)性來(lái)切割每個(gè)線模型,以此來(lái)