專利名稱：基于表面數(shù)據(jù)的植物枝體三維形態(tài)建模系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是涉及植物枝體三維形態(tài)建模，特別是涉及基于表面數(shù)據(jù)的植物枝體三維形態(tài)建模系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
植物根系三維構(gòu)型的定量描述和分析是研究植物^f艮系生長及對(duì)養(yǎng)分吸收利用等營養(yǎng)功能的重要手段之一。
根系不僅是植物吸收養(yǎng)分和水分的主要器官，也起著支撐地上部的重要作用。植物根構(gòu)型是指根系在生長介質(zhì)中的空間分布，不同的根構(gòu)型顯著影響?zhàn)B分水分的吸收利用、碳源分配及適應(yīng)環(huán)境脅迫能力等重要生理功能，甚至影響某些豆科植物根系的抗病蟲害能力，因此近年來根構(gòu)型研究越來越受人們重視，但是由于根系細(xì)小且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，易振動(dòng)且發(fā)生形態(tài)改變，難于進(jìn)行原位觀察和精確測量。因此，根系生長的形態(tài)定量測定一直是世界上根系生物學(xué)研究中的難點(diǎn)之一，目前國內(nèi)外對(duì)根構(gòu)型的定量化研究的報(bào)道甚少。有人通過紙培等特殊栽培系統(tǒng)結(jié)合計(jì)算機(jī)圖像分析技術(shù)定量研究植物的二維根構(gòu)，但是紙培系統(tǒng)下獲取的二維根構(gòu)型與植物在自然條件下三維根構(gòu)型之間存在一定的差異，不能準(zhǔn)確代表植物根系在土壤中的實(shí)際空間分布，因此非常有必要對(duì)植物的三維根構(gòu)型進(jìn)行定量化研究。三維根構(gòu)型定量化研究的主要困難是因?yàn)楦翟谕寥赖壬L介質(zhì)中的隱蔽性造成了難以規(guī)察根構(gòu)型，且根系的復(fù)雜性和重疊性造成
測量精度的限制。目前，獲取三維根構(gòu)型圖像的主要方法有核磁共振成像(MRI)、X射線斷層掃描技術(shù)(CT)和地下雷達(dá)監(jiān)測(GPR)等。
但是，上述的方法存在設(shè)備復(fù)雜、重建速度低、及由于根系遮擋和交錯(cuò)問題等引起的重建精度不高等不足之處。發(fā)明內(nèi)容針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的是提供一種基于表面數(shù)據(jù)的植物枝體三維形態(tài)建模系統(tǒng)及方法，能快速有效地重建植物枝體的三維模型。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為 一種基于表面數(shù)據(jù)的植物枝體三維形態(tài)建模方法，包括如下步驟
A、 利用三維激光掃描儀、三維數(shù)字化儀或數(shù)字?jǐn)z像機(jī)獲取植物枝體表面的三維數(shù)據(jù)；
B、 處理所述三維數(shù)據(jù)，獲得表征枝體形態(tài)的枝體表面點(diǎn)的三維坐標(biāo)信息，形成植物枝體表面的柱體特征；
C、 針對(duì)植物枝體表面的柱體特征，利用微積分，將枝體劃分為若干枝段，提取每一枝段的中心軸后，連接所有中心軸構(gòu)成整個(gè)技體的骨架線，其中，在提取中心軸的同時(shí)保存枝體的半徑信息和方向信息；
D、 根據(jù)枝體骨架線以及相應(yīng)枝體的半徑信息和方向信息，重新構(gòu)造出枝體的表面簡化數(shù)據(jù)點(diǎn)，得到枝體的三維模型。
所述步驟C具體為
Cl、劃分枝體為若干枝段，劃分的依據(jù)為劃分后的枝段保持枝段表面的柱體特征；
C2、選擇位于柱體內(nèi)部的中心軸作為候選枝段中心軸；
C3、根據(jù)枝段表面數(shù)據(jù)點(diǎn)到中心軸距離公式，計(jì)算枝段表面數(shù)據(jù)點(diǎn)到候選枝段中心軸的距離，將距離在某一范圍內(nèi)的認(rèn)為是具有相同半徑，把具有相同中心軸和相同半徑當(dāng)作是同一種票，按此種規(guī)則對(duì)候選枝段中心軸進(jìn)行^:票計(jì)數(shù)；
C4、比較票數(shù)，票數(shù)最多的候選枝段中心軸即為枝段中心軸。所述步驟D具體為
Dl、根據(jù)枝體骨架線及對(duì)應(yīng)的半徑信息和方向信息，按照順時(shí)針或逆時(shí)針方向，重新生成枝體的表面簡化數(shù)據(jù)點(diǎn)；
D2、根據(jù)所述表面簡化數(shù)據(jù)點(diǎn)，將相鄰的每三個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)構(gòu)造成一個(gè)三角網(wǎng)格，完成表面數(shù)據(jù)點(diǎn)的網(wǎng)格化；200910193011.5
說明書第3/9頁
D3、根據(jù)兩圓柱面交線方程，生成兩枝體交接處的數(shù)據(jù)點(diǎn)并網(wǎng)格化，實(shí)現(xiàn)兩枝體交接處的過渡。
步驟D3中，具體交線方程為
Va262 cos2 z — a2 (r cos 0 cos ;k -'- sin S cos /5)2 + 6r sin 6 cos y = rcos^
其中，，-是第一圓柱準(zhǔn)線的半徑，"、6是第二圓柱的長、短半軸，
(cosa, cos A cos "是第二圓柱與母線方向相同的單位向量，0是參數(shù)。
本發(fā)明還提供了 一種基于表面數(shù)據(jù)的植物枝體三維形態(tài)建模系統(tǒng)，其包括獲取裝置，用于掃描獲取植物枝體的三維數(shù)據(jù)；
數(shù)據(jù)處理裝置，用于對(duì)所掃描的三維數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得后續(xù)處理表征枝體的三維坐標(biāo)信息；
劃分裝置，用于劃分枝體為若干枝段，劃分的依據(jù)為劃分后的枝段保持枝段表面的柱體特征；
三維模型重建裝置，提取枝體的骨架線，同時(shí)保存枝體的半徑信息和方向信息，并基于此重新構(gòu)造出枝體的表面簡化數(shù)據(jù)，得到枝體的三維模型。
所述三維模型重建裝置包括
選擇裝置，用于選擇位于柱體內(nèi)部的中心軸作為候選枝段中心軸；投票裝置，用于根據(jù)枝段表面數(shù)據(jù)點(diǎn)到中心軸距離公式，計(jì)算枝段表面數(shù)據(jù)點(diǎn)到候選枝段中心軸的距離，將距離在某一范圍內(nèi)的認(rèn)為是具有相同半徑，把具有相同中心軸和相同半徑當(dāng)作是同一種票，按此種規(guī)則對(duì)候選枝段中心軸進(jìn)行投票計(jì)數(shù)；
比較裝置，用于比較票數(shù)，票數(shù)最多的候選中心軸即為枝段中心軸。所述三維才莫型重建裝置還包括
生成裝置，用于根據(jù)枝體骨架線及對(duì)應(yīng)的半徑信息和方向信息，-換照順時(shí)針或逆時(shí)針方向，重新生成枝體的表面簡化數(shù)據(jù)；
網(wǎng)格化裝置，用于根據(jù)所述表面數(shù)據(jù)點(diǎn)，將相鄰每三個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)構(gòu)造成一個(gè)
三角網(wǎng)格，完成表面數(shù)據(jù)點(diǎn)的網(wǎng)格化；
添加裝置，用于根據(jù)兩圓柱面交線方程，生成兩枝體交接處的數(shù)據(jù)點(diǎn)并網(wǎng)
格化，實(shí)現(xiàn)兩枝體交接處的過渡。
一種基于表面數(shù)據(jù)的植物枝體三維形態(tài)建模系統(tǒng)，包括
三維數(shù)據(jù)獲取設(shè)備，及驅(qū)動(dòng)所述設(shè)備的驅(qū)動(dòng)裝置；
放置在所述設(shè)備中部的被測植物枝體；
計(jì)算機(jī)，用于對(duì)所述設(shè)備獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得后續(xù)處理表征枝體的的柱體特征；針對(duì)植物枝體表面的柱體特征，利用微積分，將枝體劃分為若干枝段，提取每一枝段的中心軸后，連"l妄所有中心軸構(gòu)成整個(gè)枝體的骨架線，其中，在提取中心軸的同時(shí)保存枝體的半徑信息和方向信息并提取枝體的骨架線；根據(jù)枝體骨架線以及相應(yīng)枝體的半徑信息和方向信息，重新構(gòu)造出枝體的表面簡化數(shù)據(jù)點(diǎn)，得到枝體的三維模型。
進(jìn)一步包括對(duì)所述三維數(shù)據(jù)獲取設(shè)備進(jìn)行控制，設(shè)置設(shè)備獲取數(shù)據(jù)方式、精確程度的控制軟件；及對(duì)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步處理，去除噪聲點(diǎn)、冗余點(diǎn)，去除錯(cuò)誤網(wǎng)^f各的處理軟件。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)和有益效果
通過利用根系栽培系統(tǒng)和三維數(shù)據(jù)獲取設(shè)備平臺(tái)，通過如數(shù)字化儀般的設(shè)備掃描物體獲得三維坐標(biāo)信息，并根據(jù)植物枝體基本結(jié)構(gòu)特征，創(chuàng)建了適合植物枝體等線狀物體三維數(shù)據(jù)的快速建模算法，有效地實(shí)現(xiàn)了植物枝體建模。可實(shí)現(xiàn)植物枝體三維構(gòu)型的定量描述和分析，從而為研究植物生長及其營養(yǎng)功能提供新的手段。
另外，本發(fā)明具有速度快、精度高、魯棒性良好和效果逼真等優(yōu)點(diǎn)，為根系生物學(xué)、植物營養(yǎng)學(xué)和植物生理學(xué)以及植物生長的計(jì)算即仿真學(xué)研究和應(yīng)用提供了 一種嶄新的數(shù)字化和建模方法。


圖1是本發(fā)明基于表面數(shù)據(jù)的植物枝體三維形態(tài)建模系統(tǒng)優(yōu)選實(shí)施例的結(jié)
構(gòu)示意圖2是圖1中個(gè)人計(jì)算機(jī)中功能模塊示意圖3是本發(fā)明基于表面數(shù)據(jù)的植物枝體三維形態(tài)建模方法的優(yōu)選實(shí)施例的 流程示意圖4是本發(fā)明基于表面數(shù)據(jù)的植物枝體三維形態(tài)建;f莫方法的骨架提取算法 圖示；
圖5是利用本發(fā)明系統(tǒng)所重建的植物枝體三維模型的平面投影圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明能夠在基于植物枝體表面數(shù)據(jù)的條件下，對(duì)枝體的三維形態(tài)模型進(jìn) 行快速重建。下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行說明。
如圖1所示，是本發(fā)明基于表面數(shù)據(jù)的植物枝體三維形態(tài)建模系統(tǒng)優(yōu)選實(shí) 施例的結(jié)構(gòu)示意圖。其包括
三維數(shù)據(jù)獲取設(shè)備2，如三維激光掃描儀，及驅(qū)動(dòng)所述設(shè)備2轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)裝
置1;
放置在所述設(shè)備2中部的被測植物根系，所述植物根系最好設(shè)置在透明的 栽培容器中；
計(jì)算機(jī)3，用于對(duì)所述設(shè)備獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得有利于后續(xù)處理表征 枝體的三維坐標(biāo)信息；并提取枝體的骨架線，同時(shí)保存枝體的半徑信息和方向 信息，在此基礎(chǔ)上重新構(gòu)造出枝體的表面簡化數(shù)據(jù)，得到枝體的三維模型。所 述計(jì)算機(jī)可以是臺(tái)式機(jī)或筆記本電腦。
如圖2所示，是圖1中個(gè)人計(jì)算機(jī)中功能模塊示意圖。包括 數(shù)據(jù)處理裝置30,用于對(duì)所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得有利于后續(xù)處理表 征枝體的三維坐標(biāo)信息，例如，將所獲得的三維數(shù)據(jù)去除噪聲點(diǎn)，去除冗余點(diǎn)， 以及去除錯(cuò)誤網(wǎng)格，并保存為包含有筒單三角網(wǎng)格信息和三維坐標(biāo)信息的數(shù)據(jù) 格式，利于后續(xù)處理；劃分裝置31,用于劃分枝體為若干枝段，劃分的依據(jù)為劃分后的枝段保持
枝段表面的柱體特征；
選擇裝置32,用于選擇各枝段符合條件的候選枝段中心軸，選擇的依據(jù)為 候選中心軸在柱體內(nèi)部；
投票裝置33,用于根據(jù)表面數(shù)據(jù)點(diǎn)到中心軸距離公式，計(jì)算枝段表面數(shù)據(jù) 點(diǎn)到候選中心軸的距離，將距離按某種誤差標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類，即半徑在某一范圍 內(nèi)的認(rèn)為是具有相同半徑，把具有相同中心軸和相同半徑當(dāng)作是同一種票，按 此種規(guī)則對(duì)候選枝段中心軸進(jìn)行投票計(jì)數(shù)；
比較裝置34，用于比較票數(shù)，票數(shù)最多的候選中心軸即為枝段中心軸；
生成裝置35，用于根據(jù)技體骨架點(diǎn)及對(duì)應(yīng)的半徑信息和方向信息，按照順 時(shí)針或逆時(shí)針方向，重新生成枝體的表面簡化數(shù)據(jù)；
網(wǎng)格化裝置36,用于根據(jù)所述表面數(shù)據(jù)點(diǎn)，將相鄰了每三個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)構(gòu)造成 一個(gè)三角網(wǎng)格，完成數(shù)據(jù)點(diǎn)的網(wǎng)格化；
添加裝置37,用于根據(jù)兩圓柱面交線方程，生成兩枝體交接處的數(shù)據(jù)點(diǎn)并 網(wǎng)格化，實(shí)現(xiàn)兩枝體交接處的過渡。
如圖3所示，是本發(fā)明基于表面數(shù)據(jù)的植物枝體三維形態(tài)建模方法的優(yōu)選 實(shí)施例的流程示意圖。
步驟S30:獲取植物枝體的數(shù)據(jù)
先設(shè)置好三維數(shù)據(jù)獲取設(shè)備獲取數(shù)據(jù)的方式和獲取精度，然后啟動(dòng)三維數(shù) 據(jù)獲取設(shè)備獲取植物枝體三維數(shù)據(jù)。 步驟S31,數(shù)據(jù)處理
然后對(duì)所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將所獲得的三維數(shù)據(jù)去除噪聲點(diǎn)，去除冗 余點(diǎn)，以及去除錯(cuò)誤網(wǎng)格，并保存為包含有筒單三角網(wǎng)格信息和三維坐標(biāo)信息 的數(shù)椐格式，以利于后續(xù)處理。
步驟S32,三維枝體模型計(jì)算及生成
S320、用兩平行的平面截取枝體表面數(shù)據(jù)，截取的依據(jù)為截取后的枝段保 持枝段表面的柱體特征，截取的方法為位于這兩平面之間的表面數(shù)據(jù)即為所求 數(shù)據(jù)，平面橫截枝體，兩平面之間的距離保證截取后的枝體為一柱體；S321、選擇符合條件的候選枝段中心軸，選擇的依據(jù)為候選中心軸在柱體 內(nèi)部，選擇的辦法為分別選取所述兩橫截面上的點(diǎn)，連接兩點(diǎn)為一候選中心軸；
S3"、根據(jù)表面數(shù)據(jù)點(diǎn)到候選中心軸距離公式(1),計(jì)算枝段表面上每個(gè) 數(shù)據(jù)點(diǎn)到每一候選中心軸的距離，對(duì)候選枝段中心軸進(jìn)行投票計(jì)數(shù)，把與同一 候選中心軸具有同樣距離的數(shù)據(jù)點(diǎn)歸為同 一類；
p 《 T
其中，(X， 乂， z,)為表面數(shù)據(jù)點(diǎn)的坐標(biāo)，Cp， g， r)為候選中心軸的三個(gè)方向數(shù)， "),《為三個(gè)坐標(biāo)軸上的單位矢量，里層的符號(hào)"I I"表示一個(gè)行列式， 外層的符號(hào)"I I "表示矢量的模。
5323、 比較票數(shù)，票數(shù)最多的候選中心軸即為枝段中心軸。與同一候選中 心軸具有同樣距離的數(shù)據(jù)點(diǎn)被視為為同 一類數(shù)據(jù)點(diǎn)，則柱體的中心軸得到的票 數(shù)最多，通過計(jì)算票數(shù)選擇票數(shù)最多的候選中心軸即為枝段中心軸，連接所有 枝段中心軸得到植物枝體骨架；
5324、 根據(jù)枝體骨架點(diǎn)及對(duì)應(yīng)的半徑信息和方向信息，按照順時(shí)針或逆時(shí) 針方向，重新生成枝體的表面數(shù)據(jù)。例如，可以按照順時(shí)針方向，在平面xoy 上以原點(diǎn)為圓心，以一骨架點(diǎn)半徑為半徑，以x正半軸上的點(diǎn)為起始點(diǎn)平均采 樣6個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，再通過旋轉(zhuǎn)平移等幾何變換把采樣點(diǎn)變換到對(duì)應(yīng)骨架點(diǎn)形成枝 體表面數(shù)據(jù)；
5325、 根據(jù)所述表面數(shù)據(jù)點(diǎn)，將相鄰了每三個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)構(gòu)造成一個(gè)三角網(wǎng)格, 完成數(shù)據(jù)點(diǎn)的網(wǎng)格化；
5326、 根據(jù)兩圓柱面交線方程(2),生成兩枝體交接處的數(shù)據(jù)點(diǎn)并網(wǎng)格化， 實(shí)現(xiàn)兩枝體交接處的過渡。<formula>formula see original document page 13</formula>其中，r是圓柱1準(zhǔn)線的半徑，"、6是圓柱2的長、短半軸，(cos a, cos A cos" 是圓柱2與母線方向相同的單位向量，0是參數(shù)。
利用本發(fā)明提供的系統(tǒng)及方法，對(duì)于重建根等線狀物體效果良好，不僅視 覺效果非常逼真、有較高的精度。比如在距離方面，三維數(shù)據(jù)獲取設(shè)備如三維 激光掃描儀掃描精度可以達(dá)到0. lmm,而在可靠性方面，此方法對(duì)于圖像中的噪 聲不敏感，利用它得到的結(jié)果可以有效地濾除噪聲的影響，在變形、甚至部分 區(qū)域丟失的狀態(tài)下仍然能取得理想的結(jié)果。
另外，三維模型重建主要計(jì)算包括l)表面數(shù)據(jù)截取裝置，判斷各數(shù)據(jù)點(diǎn) 是否在兩平面之間的比較運(yùn)算；2)投票裝置，各票的"自加，，運(yùn)算；3)生成 裝置，植物枝體表面數(shù)據(jù)點(diǎn)生成涉及矩陣與向量的乘法運(yùn)算。這三種計(jì)算簡單 所以速度快。另外該方法在提取骨架點(diǎn)時(shí)，采取了由前一骨架點(diǎn)探測后一骨架 點(diǎn)，幾何變換等方法，使得Hough變換算法的循環(huán)變量由8個(gè)減少為2個(gè)，且 每個(gè)循環(huán)變量的長度只為5,從而只有25個(gè)候選點(diǎn)，降低了4臾索空間，避免了 基本Hough變換算法要求占用較大存儲(chǔ)空間和較長計(jì)算時(shí)間的問題，使該方法 具有了實(shí)時(shí)性。
如圖4所示，是本發(fā)明基于表面數(shù)據(jù)的植物枝體三維形態(tài)建模方法的骨架 提取算法圖示。
具體描述如下首先由前一柱軸/^，《求點(diǎn)d然后構(gòu)造枝段表面數(shù)據(jù)點(diǎn)集 接著在平面M,.+,上取以《為圓心的V鄰域的各點(diǎn)i^為候選點(diǎn)，A: = 0，l，...，24; 由空間點(diǎn)到直線的距離公式計(jì)算點(diǎn) e五到S《的距離/;,,對(duì)參數(shù)空間(v《)進(jìn)
行投票；最后計(jì)票，最優(yōu)選擇(r，《+1)。
如圖5所示，是利用本發(fā)明系統(tǒng)所重建的植物枝體三維才莫型的平行投影圖。 其中，三維數(shù)據(jù)采集采取的數(shù)據(jù)獲取精度為0. 3mra，采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)量大約10萬個(gè)左右，骨架線提取算法提取骨架點(diǎn)數(shù)量大約1千個(gè)左右，提取時(shí)間在20秒 左右。
本發(fā)明提供的基于表面數(shù)據(jù)的植物枝體三維形態(tài)建模系統(tǒng)及方法。它具有 速度快、精度高、魯棒性良好和效果逼真等優(yōu)點(diǎn)，為根系生物學(xué)、植物營養(yǎng)學(xué) 和植物生理學(xué)以及植物生長的計(jì)算即仿真學(xué)研究和應(yīng)用提供了 一種嶄新的數(shù)字 化和建模方法，有望開發(fā)商業(yè)產(chǎn)品批量生產(chǎn)，廣泛應(yīng)用于大量樣品測定、大規(guī) 模的性狀篩選和連續(xù)動(dòng)態(tài)跟蹤觀察等日常實(shí)驗(yàn)中。
在實(shí)際應(yīng)用中，在重建獲得植物枝體的精確或原位的三維模型后，該植物 枝體實(shí)體上每一象素(點(diǎn))的坐標(biāo)便建立確定了，藉之可以很容易地獲得根構(gòu) 型的各種形狀參數(shù)(如主根長、總根長、基根角度、根寬深比及根長在介質(zhì)不 同層次的分布率等)。以此為基礎(chǔ)可以定量分析作物根系形態(tài)構(gòu)型參數(shù)與作物 對(duì)各種土^^層次的養(yǎng)分和水分吸收效率的關(guān)系。從而為植物營養(yǎng)學(xué)研究和作物 遺傳育種專家提供精確可靠的數(shù)量依據(jù)。
另外，還可以藉之建立植物生長的真實(shí)感動(dòng)畫模型。在對(duì)植物生長跟蹤建 模中，首先利用本發(fā)明技術(shù)的系統(tǒng)跟蹤獲得植物外形器官的實(shí)體模型，其中， 設(shè)計(jì)算法自動(dòng)計(jì)算建模中所需要的各種關(guān)鍵數(shù)據(jù)，如骨架曲線的型值點(diǎn)(坐標(biāo))、 柱體半徑、開叉點(diǎn)、表面紋理等，有了這些簡單又明了的數(shù)據(jù)，刻畫物體外觀 特征的真實(shí)感圖形就可建立出來，從而利用有關(guān)動(dòng)畫連接技術(shù)將各個(gè)時(shí)間段模
型連接起來，便得到連續(xù)生長的動(dòng)畫模型。在植物生長建模在植物學(xué)和計(jì)算機(jī) 圖形學(xué)中都有重要的應(yīng)用。
權(quán)利要求
1、一種基于表面數(shù)據(jù)的植物枝體三維形態(tài)建模方法，其特征在于，包括如下步驟A、利用三維激光掃描儀、三維數(shù)字化儀或數(shù)字?jǐn)z像機(jī)獲取植物枝體表面的三維數(shù)據(jù)；B、處理所述三維數(shù)據(jù)，獲得表征枝體形態(tài)的枝體表面點(diǎn)的三維坐標(biāo)信息，形成植物枝體表面的柱體特征；C、針對(duì)植物枝體表面的柱體特征，利用微積分，將枝體劃分為若干枝段，提取每一枝段的中心軸后，連接所有中心軸構(gòu)成整個(gè)枝體的骨架線，其中，在提取中心軸的同時(shí)保存枝體的半徑信息和方向信息；D、根據(jù)枝體骨架線以及相應(yīng)枝體的半徑信息和方向信息，重新構(gòu)造出枝體的表面簡化數(shù)據(jù)點(diǎn)，得到枝體的三維模型。
2、 如權(quán)利要求1所述的基于表面數(shù)據(jù)的植物枝體三維形態(tài)建模方法，其特 征在于，所述步驟C具體為Cl、劃分枝體為若干枝段，劃分的依據(jù)為劃分后的枝段保持枝段表面的柱 體特征；C2、選擇位于柱體內(nèi)部的中心軸作為候選枝段中心軸；C3、根據(jù)枝段表面數(shù)據(jù)點(diǎn)到中心軸距離公式，計(jì)算枝段表面數(shù)據(jù)點(diǎn)到候選 枝段中心軸的距離，將距離在某一范圍內(nèi)的認(rèn)為是具有相同半徑，把具有相同 中心軸和相同半徑當(dāng)作是同 一種票，按此種規(guī)則對(duì)候選枝段中心軸進(jìn)行^&票計(jì) 數(shù)；C4、比較票數(shù)，票數(shù)最多的候選枝段中心軸即為枝段中心軸。
3、 如權(quán)利要求l所述的基于表面數(shù)據(jù)的植物枝體三維形態(tài)建模方法，其特 征在于，所述步驟D具體為Dl、根據(jù)枝體骨架線及對(duì)應(yīng)的半徑信息和方向信息，按照順時(shí)針或逆時(shí)針 方向，重新生成枝體的表面簡化數(shù)據(jù)點(diǎn)；D2、根據(jù)所述表面簡化數(shù)據(jù)點(diǎn)，將相鄰的每三個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)構(gòu)造成一個(gè)三角網(wǎng)格，完成表面數(shù)據(jù)點(diǎn)的網(wǎng)格化；D3、根據(jù)兩圓柱面交線方程，生成兩枝體交接處的數(shù)據(jù)點(diǎn)并網(wǎng)格化，實(shí)現(xiàn) 兩枝體交接處的過渡。
4、如權(quán)利要求3所述的基于表面數(shù)據(jù)的植物枝體三維形態(tài)建模方法，其特 征在于，步驟D3中，具體交線方程為一 ^262cos2 y-a2(rcos^cosy-rsin^cos》)2 +sin0cosa其中，r是第一圓柱準(zhǔn)線的半徑，a、 6是第二圓柱的長、短半軸， (cosa,cosy8,cos力是第二圓柱與母線方向相同的單位向量，0是參數(shù)。
5、 一種基于表面數(shù)據(jù)的植物枝體三維形態(tài)建模系統(tǒng)，其特征在于，包括 獲取裝置，用于掃描獲取植物枝體表面點(diǎn)的三維數(shù)據(jù)； 數(shù)據(jù)處理裝置，用于對(duì)所掃描的三維數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得表征枝體形態(tài)的枝體表面點(diǎn)的三維坐標(biāo)信息；劃分裝置，用于劃分枝體為若干枝段，劃分的依據(jù)為劃分后的枝段保持枝 段表面的柱體特征；三維模型重建裝置，提取枝體的骨架線，同時(shí)保存枝體的半徑信息和方向 信息，并基于此重新構(gòu)造出枝體的表面筒化數(shù)據(jù)，得到枝體的三維模型。
6、 如權(quán)利要求5所述的基于表面數(shù)據(jù)的植物枝體三維形態(tài)建模系統(tǒng)，其特 征在于，所述三維模型重建裝置包括選擇裝置，用于選擇位于柱體內(nèi)部的中心軸作為候選枝段中心軸； 投票裝置，用于根據(jù)枝段表面數(shù)據(jù)點(diǎn)到中心軸距離公式，計(jì)算枝段表面數(shù) 據(jù)點(diǎn)到候選枝段中心軸的距離，將距離在某一范圍內(nèi)的認(rèn)為是具有相同半徑，把具有相同中心軸和相同半徑當(dāng)作是同一種票，按此種規(guī)則對(duì)候選枝^a中心軸進(jìn)行投票計(jì)數(shù)；比較裝置，用于比較票數(shù)，票數(shù)最多的候選中心軸即為枝段中心軸。
7、 如權(quán)利要求6所述的基于表面數(shù)據(jù)的植物枝體三維形態(tài)建模系統(tǒng)，其特 征在于，所述三維模型重建裝置還包括生成裝置，用于根據(jù)枝體骨架線及對(duì)應(yīng)的半徑信息和方向信息，按照順時(shí)針或逆時(shí)針方向，重新生成枝體的表面簡化數(shù)據(jù)；網(wǎng)格化裝置，用于根據(jù)所述表面數(shù)據(jù)點(diǎn)，將相鄰每三個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)構(gòu)造成一個(gè)三角網(wǎng)格，完成表面數(shù)據(jù)點(diǎn)的網(wǎng)格化；添加裝置，用于根據(jù)兩圓柱面交線方程，生成兩枝體交接處的數(shù)據(jù)點(diǎn)并網(wǎng)格化，實(shí)現(xiàn)兩枝體交接處的過渡。
8、 一種基于表面數(shù)據(jù)的植物枝體三維形態(tài)建模系統(tǒng)，其特征在于，包括 三維數(shù)據(jù)獲取設(shè)備，及驅(qū)動(dòng)所述設(shè)備的驅(qū)動(dòng)裝置； 放置在所述設(shè)備中部的被測植物枝體；計(jì)算機(jī)，用于對(duì)所述設(shè)備獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得后續(xù)處理表征枝體的 的柱體特征；針對(duì)植物枝體表面的柱體特征，利用微積分，將枝體劃分為若干 枝段，提取每一枝段的中心軸后，連接所有中心軸構(gòu)成整個(gè)枝體的骨架線，其 中，在提取中心軸的同時(shí)保存枝體的半徑信息和方向信息并提取枝體的骨架線； 根據(jù)枝體骨架線以及相應(yīng)枝體的半徑信息和方向信息，重新構(gòu)造出枝體的表面 簡化數(shù)據(jù)點(diǎn)，得到枝體的三維模型。
9、 如權(quán)利要求8所述的基于表面數(shù)據(jù)的植物枝體三維形態(tài)建模系統(tǒng)，其特 征在于，進(jìn)一步包括對(duì)所述三維數(shù)據(jù)獲取設(shè)備進(jìn)行控制，設(shè)置設(shè)備獲取數(shù)據(jù)方式、精確程度的 控制軟件；及對(duì)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步處理，去除噪聲點(diǎn)、冗余點(diǎn)，去除錯(cuò)誤網(wǎng)格的處 理軟件。
10、 如權(quán)利要求9所述的基于表面數(shù)據(jù)的植物枝體三維形態(tài)建模系統(tǒng)，其 特征在于，所述計(jì)算機(jī)包括劃分裝置，用于劃分枝體為若干枝段，劃分的依據(jù)為劃分后的枝段保持枝段表面的柱體特征；選擇裝置，用于選擇各枝段符合條件的候選枝段中心軸，選擇的依據(jù)為候選中心軸在柱體內(nèi)部；投票裝置，用于根據(jù)表面數(shù)據(jù)點(diǎn)到中心軸距離公式，計(jì)算枝段表面數(shù)據(jù)點(diǎn)到候選中心軸的距離，將距離按某種誤差標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類，即半徑在某一范圍內(nèi)的認(rèn)為是具有相同半徑，按某種規(guī)則對(duì)候選枝段中心軸進(jìn)行投票計(jì)數(shù)；比較裝置，用于比較票數(shù)，票數(shù)最多的候選中心軸即為枝段中心軸；生成裝置，用于根據(jù)枝體骨架點(diǎn)及對(duì)應(yīng)的半徑信息和方向信息，按照順時(shí)針或逆時(shí)針方向，重新生成枝體的表面簡化lt據(jù)；網(wǎng)格化裝置，用于根據(jù)所述表面數(shù)據(jù)點(diǎn)，將相鄰了每三個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)構(gòu)造成一個(gè)三角網(wǎng)格，完成數(shù)據(jù)點(diǎn)的網(wǎng)格化；添加裝置，用于根據(jù)兩圓柱面交線方程，生成兩枝體交接處的數(shù)據(jù)點(diǎn)并網(wǎng)格化，實(shí)現(xiàn)兩枝體交接處的過渡。
全文摘要
本發(fā)明公開一種基于表面數(shù)據(jù)的植物枝體三維形態(tài)建模方法，其包括如下步驟A、獲取植物枝體的三維數(shù)據(jù)；B、處理所述三維數(shù)據(jù)，獲得后續(xù)處理表征枝體的三維坐標(biāo)信息；C、針對(duì)植物枝體表面的柱體特征，利用微積分，將枝體劃分為若干枝段，提取每一枝段的中心軸后，連接所有中心軸構(gòu)成整個(gè)枝體的骨架線，其中，在提取中心軸的同時(shí)保存枝體的半徑信息和方向信息；D、根據(jù)枝體骨架線以及相應(yīng)枝體的半徑信息和方向信息，重新構(gòu)造出枝體的表面簡化數(shù)據(jù)，得到枝體的三維模型。另外，本發(fā)明還公開一種基于表面數(shù)據(jù)的植物枝體三維形態(tài)建模系統(tǒng)。本發(fā)明能快速有效地重建植物枝體的三維模型。
文檔編號(hào)G06T17/00GK101673413SQ20091019301
公開日2010年3月17日 申請(qǐng)日期2009年10月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月10日
發(fā)明者朱同林, 林樹敏 申請(qǐng)人:華南農(nóng)業(yè)大學(xué)