植物器官形態的三維掃描方法及掃描系統和裝置的製作方法

2023-07-24 08:26:21

專利名稱：植物器官形態的三維掃描方法及掃描系統和裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於圖像處理技術領域，具體涉及一種植物器官形態的立體信息掃描和恢復方法。
背景技術：
植物器官形態是植物某些器官如植物的根、枝、莖等的。植物器官在介質或空間中的造型與分布，即植物器官形態構型的差異，對養分吸收以及磷源分配等重要生理功能影響顯著，所以對其參數的測定與分析非常重要，對於合理選種、配種、套種和提高農業產量都有重要的指導作用。另外，以農林業為應用背景的植物生長建模與仿真，不僅為分析植物生態生理提供精確測量數據，而且為計算機模擬實驗及其運用網絡系統進行農作物管理決策支持系統提供直觀可靠的實驗材料和「通信代碼」。建立以實際精確測量數據為基礎的幾何模型是它們的基礎技術，而且也是交互式植物三維形態輔助設計及動畫生成技術和作物生長系統的數位化可視化技術的關鍵技術
■石出。植物器官形態構型的研究，必須利用三維掃描系統建立三維模型(立體信息)。理論上利用核磁共振、CT成像等方法可以獲得原位的斷層掃描圖像，並可重建三維圖像，但所需儀器設備及消耗材料昂貴；而現有的醫學專用影像設備和有關重建方法又尚未達到作物形體參數測定的精度要求。近年來，高精度、低價格的三維掃描儀，已在計算機視覺和計算機輔助設計中被廣泛運用，這使得採用經濟的設備獲取高精度的作物形體三維模型成為可能。植物器官普遍具有異常豐富的細節，普通的三維掃描儀很難實現其高精度的立體信息獲取。研製一種滿足其需要的高精度、低成本的三維掃描儀，是十分緊迫而且必要的任務。立體信息的獲取是圖像分析、計算機視覺中的重要任務之一，國內外學者在這一領域中作了大量的工作，一些實用裝置己應用於實際工作中。目前這方面的工作從應用目的可分為兩大類，一類是獲得視覺範圍的立體信息，如同人的視覺；另一類是以所攝物體為中心，獲取物體表面全方位立體信息。

發明內容
本發明目的之一是提出一種獲得植物器官形態的三維掃描方法，基於無接觸的光學三角測量，通過處理視覺設備捕捉的物體形狀來獲取植物器官表面三維幾何信息，從而建立植物器官表面三維模型。本發明的方法能快速有效地實現植物器官形態的三維重建， 具有精度高，低本低，使用安全和易於實現的特點。實現本發明的目的所採用的具體技術方案如下。一種植物器官形態的三維掃描方法，其步驟包括(1)採集定標板圖像和植物器官圖像；
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(2)對攝像機進行定標，得到該攝像機的定標參數和畸變係數；(3)提取序列圖像的每一張圖像中被測對象的輪廓，並獲取全部輪廓點的像素坐標；(4)從虛擬立方體對輪廓點進行投影判定，處理全部的系列輪廓圖像，得到表徵被測對象外殼的點集，即點雲；該方法還可以包括如下附加步驟(5)顯示三維重建效果，並其採用人機結合的方式進行修補；(6)將E中得到的點雲數據整理成標準格式的DXF文件。其中，所述步驟⑵具體為(2. 1)檢測定標參考點並生成世界坐標和像素坐標信息；(2. 2)對定標板的傾斜狀況進行校正；(2. 3)求得無畸變的初步定標參數矩陣M0,並求得徑向畸變係數K1和K2 ；(2. 4)對定標圖像進行徑向畸變校正；(2. 5)使用畸變校正過的定標圖像，重複2. 1 2. 3所述步驟，得到最終的定標參數矩陣M。其中，所述步驟(4)具體為(4. 1)利用徑向畸變係數K1和K2對各輪廓圖像進行徑向畸變校正；(4. 2)構建籠罩植物器官的虛擬立方體，所述虛擬立方體中心與世界坐標系原點重合，該虛擬立方體按照一定解析度被劃分為多個小立方體；同時可以結合解析度和世界坐標的設定，獲得所有小立方體的世界坐標值；(4. 3)根據帶動植物器官的轉軸偏移，對世界坐標系進行校正；(4. 4)利用前述方法求得的定標參數，在定標方程中確定了世界坐標與像素坐標之間的投影映射關係。對所有小立方體做投影計算，剔除投影在植物器官圖像輪廓外的小立方體，保留投影在輪廓內的小立方體。依次處理完全部植物器官圖像，餘下的立方體即是植物器官的外殼。本發明還提出了一種獲得植物器官形態的三維掃描系統，包括人機界面，用於設定掃描系統的各種參數；圖像採集模塊，用於採集定標圖像和植物器官形態圖像；定標模塊，用於計算定標參數；三維重建模塊，由二維數字圖像重建為三維立體模型。優選的，所述圖像採集模塊進一步包括定標圖像的採集，通過協調控制相機與數控導軌，自動化地完成定標圖像採集。 即，使相機在定標板移動到每一個預定的位置，拍攝一張定標圖像；植物器官形態圖像的採集，通過協調控制相機與數控轉臺，自動化地完成定標圖像採集。即，設定合適的轉臺旋轉速度和相機幀率，使得以設定的等間隔角度連續拍攝植物器官旋轉一周的圖像。優選的，所述定標模塊進一步包括定標參考點自動檢測與信息生成模塊，用於定標參考點自動檢測和信息的自動生成；
定標板偏移校正模塊，用於定標板傾斜狀態的校正矩陣的計算；徑向畸變係數計算模塊，用於計算相機的徑向畸變係數；定標參數計算模塊，用於計算並輸出定標參數。優選的，所述三維重建計算模塊進一步包括重建圖像預處理模塊，用於檢測圖像邊緣；轉臺偏移校正模塊，用於計算電動轉臺非垂直狀態的校正矩陣的計算；投影計算模塊，用於包圍盒的點對圖像輪廓點的投影判定；點雲生成模塊，用於控制投影計算模塊，依次處理系列輪廓圖像，得到物體表面點集合(點雲)；三維構型模塊，將點雲數據三角化，顯示重建效果；人機結合修補模塊，對錯誤疏漏部分進行修補；DXF文件生成模塊，將修補過的點雲數據整理並保存為DXF格式文件。本發明還公開了一種植物器官形態的三維掃描裝置，包括光學平臺，用於放置安裝其他儀器設備；計算機，用於定標計算，驅動器控制，三維重建計算等信息處理中心相機和圖像採集卡，用於採集圖像；數控導軌及相應的驅動器，用於定標板的移動；數控轉臺及相應的驅動器，用於植物器官的轉動；儀器底座，用於相機的可調節固定；自製的轉臺支撐架，用於固定倒扣的電動轉臺；定標板，用於作為定標參照物；背景屏，用於採集掃描對象圖像的背景；還可以包括輔助設備，用於裝置的照明、電源等。本發明具有如下有益效果通過處理拍攝的植物器官的系列圖像，並根據植物器官的基本結構特徵，創建了適合的快速三維重建算法，有效地實現了其三維重建。可實現植物器官的三維構型的定量描述和分析，從而為研究植物器官生長及其營養功能提供新的手段。本方法僅僅需要一個攝像機作為圖像採集設備，成本低廉；全過程實現了自動化， 操作簡便；三維重建算法不需要尋找對應點，因此穩定、簡單快速；可以同時獲得多個掃描點，掃描速度快；不會損壞環境，對掃描對象無損害作用，使用安全可靠；掃描範圍廣，既可以應用於尺寸小的場合，也可以掃描尺寸比較大的對象。


圖1是植物形態構型三維掃描系統的具體實施硬體結構示意圖；圖2是計算機中功能模塊結構示意和信息處理流程圖；圖3是定標功能模塊程序流程圖；圖4是定標板偏移校正示意圖；圖5是三維重建模塊的程序流程圖；圖6是投影判定原理示意圖7是電動轉臺轉軸偏移校正示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施例，對本發明進行詳細說明。一種植物器官形態的三維掃描方法，其步驟包括(1)採集定標板圖像和植物器官圖像；定標圖像採集定標板為印刷有邊長為10毫米的黑白方格圖案的圍棋盤狀單模板。定標板跟隨導軌精確可控地平行移動，在設定的不同位置上拍攝定標板圖像，完成定標圖像的採集；植物器官圖像採集植物器官處於自然下垂狀態，被夾具固定於轉臺上，跟隨轉臺精確可控地旋轉，每轉過一定的設定角度，拍攝一張圖像，轉臺旋轉一周，得到多張系列的圖像，實現植物器官形態的圖像採集。等間隔角度記為α，圖像數量為360/α。(2)對攝像機進行定標，得到該攝像機的定標參數和畸變係數；(a)角點檢測運用圖像處理的方法，依次進行自適應濾波、二值化、閥值分割、邊緣檢測、直線擬合，得到定標圖像的邊緣的直線方程，再求直線交點，即得到全部的黑白方塊的交點，為定標參考點，即角點，總數為η。角點信息包括世界坐標和像素坐標，由如下方法獲得設定世界坐標原點0(0，0， 0)(此原點也是三維重建的原點)。不失一般性，可令原點為處於轉軸正下方時定標板上的任意一個角點，結合棋盤規律和導軌移動距離，可得到每一張定標圖像中全部角點的世界坐標(xwi，Ywi，Zwi)和像素坐標(Ui，Vi)，i為角點的序號。(b)定標板偏移校正定標板的安裝和加工存在不可避免的偏移，對定標精度影響巨大，必須對其進行偏移校正。對於本發明中設定的世界坐標系，偏移規律可由基本的立體幾何關係得到。公式如下
權利要求
1.一種植物器官形態的三維掃描方法，用於建立植物器官表面三維模型，該方法具體包括如下步驟(1)採集定標板圖像和植物器官圖像序列；首先，設置可移動的定標板，利用圖像採集設備採集該定標板圖像； 其次，對位於定標板移動範圍內的植物器官進行周身圖像採集，獲得植物器官周身圖像序列；(2)對定標板圖像進行處理，獲得所述圖像採集設備的定標參數矩陣和徑向畸變係數 K1 和 K2 ；(3)提取所述植物器官周身圖像序列的每一張圖像中的植物器官的輪廓，獲得每個輪廓上的所有像素點坐標；(4)對所述每個輪廓進行處理，獲得表徵被測對象即植物器官外殼的點集，實現對植物器官的三維重建，具體為(4. 1)利用徑向畸變係數K1和K2對各輪廓圖像進行徑向畸變校正； (4. 2)構建籠罩植物器官的虛擬立方體，所述虛擬立方體中心與世界坐標系原點重合， 該虛擬立方體按照一定解析度被劃分為多個小立方體；同時結合解析度和世界坐標的設定，獲得所有小立方體的世界坐標值；(4. 3)根據帶動植物器官的轉軸偏移，對世界坐標系進行校正； (4. 4)利用所述定標參數矩陣，在定標方程中確定世界坐標與像素坐標之間的投影映射關係，再對所有小立方體做投影計算，剔除投影在植物器官圖像輪廓外的小立方體，保留投影在輪廓內的小立方體，依次處理完全部植物器官圖像，餘下的立方體即是植物器官的外殼。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述的步驟O)的具體過程為 (2. 1)檢測定標參考點並生成世界坐標和像素坐標信息；(2. 2)對定標板的傾斜狀況進行校正；(2. 3)求得無畸變的初步定標參數矩陣，獲得徑向畸變係數Kl和K2 ；(2. 4)利用所述徑向畸變係數Kl和K2對定標板圖像進行徑向畸變校正；(2. 5)使用畸變校正過的定標板圖像，再次確定定標參考點，得到最終的定標參數矩陣。
3.根據權利要求2所述的方法，其特徵在於，所述初步定標參數矩陣和最終的定標參數矩陣均通過如下矩陣定標方程計算得到
4.根據權利要求2或3所述的方法，其特徵在於，計算初步定標參數矩陣時，以近光心的角點作為無徑向畸變的定標參考點；計算最終的定標參數矩陣時，以對全部定標圖像進行畸變校正後的角點作為定標參考點。
5.根據權利要求2-4之一所述的方法，其特徵在於，所述徑向畸變係數Ic1A2通過如下方式計算得到
6.一種實現權利要求1-5之一所述方法的植物器官形態三維掃描系統，包括 人機界面，用於設定掃描系統的各種參數；圖像採集模塊，用於採集定標圖像和植物器官形態圖像； 定標模塊，用於計算定標參數；三維重建模塊，用於重建植物器官表面的三維立體模型。
7.根據權利要求6所述的系統，其特徵在於，所述的定標模塊包括定標參考點自動檢測與信息生成模塊，用於定標計算所需的定標參考點自動檢測與信息的自動生成；定標板偏移校正模塊，用於定標板傾斜狀態的校正矩陣的計算； 徑向畸變係數計算模塊，用於計算圖像採集設備的徑向畸變係數； 定標參數計算模塊，用於計算並輸出定標參數。
8.根據權利要求6或7所述的系統，其特徵在於，所述三維重建計算模塊包括 重建圖像預處理模塊，用於濾除噪聲和檢測圖像邊緣；轉臺偏移矩陣計算模塊，用於計算電動轉臺非垂直狀態的校正矩陣的計算； 投影計算模塊，用於包圍盒的點對圖像輪廓點的投影判定；點雲生成模塊，用於控制投影計算模塊，依次處理系列輪廓圖像，得到物體表面點集I=I ο
9.一種實現權利要求1-8之一所述方法的植物器官形態三維掃描裝置，其特徵在於， 包括光學平臺，用於放置安裝儀器設備；圖像採集設備，用於採集圖像；定標板，用於作為定標參照物；數控導軌及相應的驅動器，用於定標板的移動；數控轉臺及相應的驅動器，用於植物器官的轉動；計算機，用於定標計算，驅動器控制和三維重建計算。
全文摘要
本發明公開了一種植物器官形態的三維掃描方法，用於建立植物器官表面三維模型，該方法具體包括如下步驟(1)採集定標板圖像和植物器官圖像序列；(2)對定標板圖像進行處理，獲得所述圖像採集設備的定標參數和徑向畸變係數；(3)提取所述植物器官周身圖像序列的每一張圖像中的植物器官的輪廓，獲得每個輪廓上的所有像素點坐標；(4)對所述每個輪廓進行處理，獲得表徵被測對象即植物器官外殼的點集，即可實現對植物器官的三維重建；本發明的主要應用於農林業領域，可同時獲得多個掃描點，掃描速度快；掃描精度高，達到像素級水平；主要操作基本實現自動化，操作簡便。
文檔編號G06T17/00GK102184563SQ20111007119
公開日2011年9月14日 申請日期2011年3月23日 優先權日2011年3月23日
發明者夏丹, 徐勝勇, 李德華, 李清光, 趙來賓 申請人:華中科技大學