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(zhǎng)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(duì)象，組建一套三維激光輪廓掃描實(shí)驗(yàn)裝置，獲取農(nóng)業(yè)物料全表面點(diǎn)云的三維坐標(biāo)，基于三角面片化和顏色渲染實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)物料表面形貌的三維重建。具體研究?jī)?nèi)容如下:
　　將激光輪廓掃描器與電動(dòng)平移臺(tái)及其控制器組裝成三維激光輪廓掃描實(shí)驗(yàn)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(jī)相連;電動(dòng)平移臺(tái)及其控制器通過RS485串口轉(zhuǎn)USB口連接PC機(jī)，設(shè)置其工作參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)，控制平移臺(tái)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(qiáng)度和曝光時(shí)間以及X軸、Z軸的坐標(biāo)區(qū)間。
　　為了消除實(shí)驗(yàn)裝置的系統(tǒng)誤差，對(duì)長(zhǎng)、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(shí)現(xiàn)X軸與平移臺(tái)的平行校準(zhǔn);(2)沿X軸尋找標(biāo)準(zhǔn)塊上、下平面的線點(diǎn)云在Z軸上的突變處，其兩側(cè)點(diǎn)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(jì)算Y軸的偏移角為arccos(9/ΔX)，實(shí)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(diǎn)云噪聲，分別基于標(biāo)準(zhǔn)塊上、下平面線點(diǎn)云的Z軸坐標(biāo)均值和標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)塊的掃描高度ΔZ，由此計(jì)算Z軸的偏移角為arccos(4/ΔZ)，實(shí)現(xiàn)Z軸與平移臺(tái)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(diǎn)云的三維坐標(biāo)。
　　以農(nóng)業(yè)物料全表面點(diǎn)云中任一點(diǎn)為起點(diǎn)，基于三角形生長(zhǎng)算法形成一個(gè)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(duì)每個(gè)點(diǎn)及其附近點(diǎn)云進(jìn)行拓?fù)溥B接，直至所有的點(diǎn)與點(diǎn)連接成一個(gè)三角面。遍歷每個(gè)點(diǎn)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(diǎn)云的三角面片。對(duì)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(gè)三棱體，求取三角面片的平面方程，對(duì)三棱體體積求和，獲取農(nóng)業(yè)物料體積;對(duì)農(nóng)業(yè)物料外輪廓X、Z軸線點(diǎn)云進(jìn)行二次多項(xiàng)式擬合，用線點(diǎn)云Z軸的平均誤差對(duì)農(nóng)業(yè)物料形態(tài)進(jìn)行分類。
　　用5mm焦距的相機(jī)采集農(nóng)業(yè)物料的二維彩色圖像，對(duì)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(diǎn)云的三維坐標(biāo)