[發明專利]一種面向綠色植物時序模型的點云采集方法

有效

• 申請號: 201811319984.4
• 申請日: 2018-11-07
• 公開（公告）號: CN109870118B
• 公開（公告）日: 2020-09-11
• 發明（設計）人: 張慧春;王國蘇;鄭加強;周宏平
• 申請（專利權）人: 南京林業大學
• 主分類號: G01B11/24
• 分類號: G01B11/24;G06T7/80;G06T7/11;G06T7/136;G06T7/90;G06T17/00
• 代理公司: 江蘇瑞途律師事務所 32346
• 代理人: 蔣海軍

本發明公開了一種面向綠色植物時序模型的點云采集方法，屬于植物三維形態表型測量技術領域，針對構建植物三維模型時，目標植物莖桿細長、葉片細小柔軟，常用的方法因普遍要使植物旋轉、傳感器固定而容易造成此類植物的莖桿、葉片抖動，從而影響三維模型重構質量低下，同時，現有的SfM算法在植物三維形態表型測量領域存在坐標系不一致、重復性差、可靠度低的缺陷，本發明能適應植物固定、傳感器運動的圖像采集方式，且能有效避免由于傳感器運動導致的傳感器位置參數缺失、精度無法保障、圖像噪音太大等缺點，是滿足植物時序模型坐標系一致性要求的植物三維點云獲取方法。

技術領域

本發明屬于植物三維形態表型測量技術領域，具體地說，涉及一種面向綠色植物時序模型的點云采集方法。

背景技術

植物表型是指反映植物結構、組成、發育過程和結果的一系列物理、生理和生化特性及性狀；研究植物表型能夠指導植物基因型研究，對植物基因組學的發展、掌握植物發展規律具有重要的意義。

通過測量植物的表型參數，分析各項參數隨時間的變化規律，可以構建植物的動態生長模型，即植物的時序模型，用于直觀顯示植物隨時間推演根、莖、葉、花和果實的外觀形態、拓撲結構的變化，并可由于預測不同環境條件和栽培措施下的植物長勢，同時還能結合計算機圖形學技術，作為數字化虛擬植物生長的參數來源。

植物的表型參數繁多，其中最為直觀的就是植物生長的幾何拓撲結構，即植物的形態表型參數。由于植物相對復雜的空間形態結構，單純二維層面的圖像分析難以得到更精確的測量值，因此需要依靠一些三維測量方式獲取植物生長過程中的三維形態表型參數；獲取三維形態表型參數前，尤為重要的是重構出植物的三維模型。

重構植物的三維模型必然需要在植物從播種、生根、發芽、長葉、開花、結果的全生長周期過程中，連續、多次、重復采集植物的形態表型參數，每次采集結果不因環境變化而受影響，且采集結果精度高、可靠度好、迅速方便。

重構物體的三維模型的方法總體可分為兩種，一種為主動式，即向對象投射一些特殊的光源或能量，通過檢測透射或反射的能量來得到三維形態信息，例如利用三維掃描設備，采用結構光、編碼光、激光等技術對真實物體進行掃描，直接得到物體空間點的信息，進而重構出三維形態；另一種為被動式，即不需要向對象投射某種光源或能量，而是檢測對象反射環境的某種能量，例如利用攝像機、數碼相機從各個視角拍攝的真實物體的兩幅或者多幅圖像進行重構。

目前植物表型檢測領域獲取植株三維模型的方法主要是主動式中的激光法，通過向植株對象發射激光信號，計算從發射信號到接收到反射信號的時間或相位變化，估算出信號的運行距離，從而計算出對象的空間位置信息。激光法的優點是重構準確性好，但是對儀器的精度要求非常高，因而成本也非常高。

主動式中的向植物發射結構光、編碼光，拍攝植株對象表面的光反射分布狀態，依據幾何學計算出表面的位置信息也常被用來獲取植株的三維模型。這種方法的優點在于計算簡單、掃描速度快；在精度方面，根據發射的結構光、編碼光的狀態，有一定的波動，但整體而言精度較激光法要差。

除了上述的兩種主動式的獲取植物三維模型方法外，被動式中的單目或雙目視覺的方法也常被用于植物的三維模型重構。其原理為預先放置好工業相機，并對工業相機進行標定，計算出工業相機的內、外參矩陣；單目視覺方法使用一個相機，令植物對象依次旋轉一定的角度拍攝二維圖片，再計算出二維圖片上像素點在空間中相對相機的位置；雙目視覺方法則在植物兩側各放置一個相機，令植物對象依次旋轉一定的角度，兩相機同時拍攝二維圖片，再計算出二維圖片上像素點在空間中相對兩個相機的位置。