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)對研究植物的生長規(guī)律具有重要的理論意義,對農(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。隨著計算機技術(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,并在計算機中進行三維顯示。其主要工作過程為,將植物固定在轉(zhuǎn)臺上,由計算機控制

2、轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn),同時使用攝像機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采集的序列圖像進行處理,得到植物的表面點的空間坐標信息,生成點云文件,將點云三角網(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)果生成標準格式文件以方便讀取和顯示。
　　本論文設(shè)計了系統(tǒng)的總體方案,搭建了硬件平臺,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)備和掃描過程進行控制,實現(xiàn)了系統(tǒng)各個功能

3、模塊,包含有圖像采集模塊,定標模塊、三維重建模塊和三維顯示模塊。其中,本論文著重對三維掃描系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)即三維重建算法開展了深入研究。
　　真實植物形態(tài)的三維幾何外形能夠用可見外殼來表征,計算可見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單穩(wěn)定但重建結(jié)果不夠準確,而基于表面的算法的重建結(jié)果較精確但魯棒性不強。為了在利用了基于表面重建的這類方法的優(yōu)點的同時,保持基于體素重建的這類方法的簡

4、單和穩(wěn)健性,本文提出了一種基于可見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,計算每個輪廓頂點對應(yīng)的可見射線,然后將三維空間中的相交問題映射到二維圖像平面,計算可見邊,最后由可見邊抽取植物形態(tài)的三維數(shù)字化模型。該方法能夠快速地重建出相對精確的三維數(shù)字化模型,實驗證明了方法的重建速度較快,該方法適合于需要實時建立植物形態(tài)的三維數(shù)字化模型的應(yīng)用場合。
　　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確算

5、法。該方法從多個側(cè)影輪廓重建出八叉樹結(jié)構(gòu)表示的包圍盒,對每個邊緣體素來建立線模型,計算出線模型上在輪廓上連續(xù)的點,由這些點構(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,通過線模型直接計算可見外殼的表面點。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,避免了各自的缺點,能夠重建出精確的三維數(shù)字化模型,并且較穩(wěn)健,實驗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)用場合。
　　建立植物根莖的三維數(shù)字化模型在精細化農(nóng)業(yè)中有著重要意義,為了快速地建立非常精準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外殼的方法。該方法以植物的根莖的三維骨架上的點來構(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)性來切割每個線模型,以此來