[發(fā)明專利]一種基于標定球的農(nóng)林作物三維點云配準方法

在審

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• 申請日: 2020-02-18
• 公開（公告）號: CN111429490A
• 公開（公告）日: 2020-07-17
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 康峰;周三章;劉祥洋;陳沖沖
• 申請（專利權(quán)）人: 北京林業(yè)大學(xué)
• 主分類號: G06T7/30
• 分類號: G06T7/30;G06T7/66;G06T7/70;G06T7/136;G06K9/62;G01B11/24
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一種基于標定球的農(nóng)林作物三維點云配準方法，三個標定球任意放置于實驗物體周圍，利用Kinect V2深度相機從四個不同角度采集點云圖，使用Passthrough Filter和Euclidean Cluster Extraction算法對點云圖分別進行點云濾波和聚類分割，從而提取實驗物體和標定球。利用Random Sample Consensus(RANSAC)算法擬合球體點云并得出球心坐標，計算不同視角下球心間距，對比球心間距確定球體對應(yīng)關(guān)系并基于Singular Value Decomposition(SVD)原理計算初始配準矩陣完成粗配準，使用IterativeClosestPoint(ICP)及其改進算法進行精確配準。解決了點云配準過程中由于對應(yīng)點錯誤而導(dǎo)致初始配準矩陣不精確的問題，提高了點云配準精度，提供了一種低成本、便捷、簡易、實現(xiàn)大視角點云配準的方法。

技術(shù)領(lǐng)域

本申請屬于三維重建技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于標定球的農(nóng)林作物三維點云配準方法。

背景技術(shù)

三維重建是指對三維物體建立適合計算機表示和處理的數(shù)學(xué)模型，是虛擬現(xiàn)實的關(guān)鍵技術(shù)。利用三維重建技術(shù)建立農(nóng)林作物的三維模型獲取表型數(shù)據(jù)，指導(dǎo)農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)，是現(xiàn)代農(nóng)林業(yè)發(fā)展的必然趨勢。在林業(yè)方面，枝干的大小，密度和冠層大小等屬性對于林業(yè)管理非常重要，重建林木的三維形態(tài)，對于自動化采摘，果樹剪枝和林木冠層光照研究有重要意義；在農(nóng)業(yè)方面，作物的冠層結(jié)構(gòu)，如葉面積指數(shù)，葉片的大小和葉片方位角分布等屬性，會影響農(nóng)作物的產(chǎn)量，重建農(nóng)作物的三維形態(tài)，可以準確的獲取農(nóng)作物生物特性，對于優(yōu)選育種，長勢檢測有重要作用。

點云配準是將不同坐標系下的點云轉(zhuǎn)換到同一個坐標系下，形成物體完整的三維模型，是三維重建的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，直接影響到三維模型的精度。

點云配準方法可以分為無標定物和有標定物兩大類。

無標定物配準，一般采用激光雷達設(shè)備，從多個角度采集實驗物體的點云圖，通過計算物體表面的特征點進行配準操作，例如計算Normal Aligned Radial Feature(NARF)關(guān)鍵點，Local Surface Patch(LSP)局部特征，Scale-invariant feature transform(SIFT)特征點等等，通過特征點的不變性進行點云配準。進行無標定物配準時，為保證點云圖的重疊率，連續(xù)兩個視角之間的間隔一般不可超過30°，視角變化較小，當完整構(gòu)建一個3D模型時，需要拍攝12幀點云圖，存在配準步驟繁瑣、工作量大，人為操作不穩(wěn)定、累積誤差大等問題，同時，由于點云噪聲的影響，容易形成錯誤的對應(yīng)關(guān)系，造成誤匹配，導(dǎo)致計算的初始配準矩陣不精確；當點云數(shù)量較多時，計算特征點耗時較長，配準過程緩慢，以上缺陷均會導(dǎo)致重建精度不穩(wěn)定。

有標定物配準，即在實驗物體周圍或者表面放置標定物輔助點云配準操作，目前相關(guān)研究較少。

綜上所述，需要提供一種低成本、便捷、簡易、實現(xiàn)大視角點云配準的方法，對農(nóng)林作物進行三維重建。

發(fā)明內(nèi)容

本申請的目的是針對上述現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，提供一種基于標定球的農(nóng)林作物三維點云配準方法。點云配準步驟主要分為粗配準和精配準。利用Kinect V2深度相機采集點云圖，通過標定球解決點云配準過程中，由于對應(yīng)點錯誤而導(dǎo)致的初始配準矩陣不精確的問題，實現(xiàn)對初始矩陣的精確求解，提高物體三維重建的精度。

本申請所提供的技術(shù)方案是提出一種基于標定球的點云配準方法，其包括：

Kinect V2深度相機固定在支撐架上，通過數(shù)據(jù)線與中央處理單元相連接；三個標定球放置在實驗物體周圍。