專利名稱：植物器官形態(tài)的三維掃描方法及掃描系統(tǒng)和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于圖像處理技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種植物器官形態(tài)的立體信息掃描和恢復(fù)方法。
背景技術(shù)：
植物器官形態(tài)是植物某些器官如植物的根、枝、莖等的。植物器官在介質(zhì)或空間中的造型與分布，即植物器官形態(tài)構(gòu)型的差異，對養(yǎng)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(shù)的測定與分析非常重要，對于合理選種、配種、套種和提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)量都有重要的指導(dǎo)作用。另外，以農(nóng)林業(yè)為應(yīng)用背景的植物生長建模與仿真，不僅為分析植物生態(tài)生理提供精確測量數(shù)據(jù)，而且為計算機模擬實驗及其運用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進行農(nóng)作物管理決策支持系統(tǒng)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(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的幾何模型是它們的基礎(chǔ)技術(shù)，而且也是交互式植物三維形態(tài)輔助設(shè)計及動畫生成技術(shù)和作物生長系統(tǒng)的數(shù)字化可視化技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)
■石出。植物器官形態(tài)構(gòu)型的研究，必須利用三維掃描系統(tǒng)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，并可重建三維圖像，但所需儀器設(shè)備及消耗材料昂貴；而現(xiàn)有的醫(yī)學(xué)專用影像設(shè)備和有關(guān)重建方法又尚未達到作物形體參數(shù)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(shè)計中被廣泛運用，這使得采用經(jīng)濟的設(shè)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(jié)，普通的三維掃描儀很難實現(xiàn)其高精度的立體信息獲取。研制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(wù)。立體信息的獲取是圖像分析、計算機視覺中的重要任務(wù)之一，國內(nèi)外學(xué)者在這一領(lǐng)域中作了大量的工作，一些實用裝置己應(yīng)用于實際工作中。目前這方面的工作從應(yīng)用目的可分為兩大類，一類是獲得視覺范圍的立體信息，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(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的之一是提出一種獲得植物器官形態(tài)的三維掃描方法，基于無接觸的光學(xué)三角測量，通過處理視覺設(shè)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(fā)明的方法能快速有效地實現(xiàn)植物器官形態(tài)的三維重建， 具有精度高，低本低，使用安全和易于實現(xiàn)的特點。實現(xiàn)本發(fā)明的目的所采用的具體技術(shù)方案如下。一種植物器官形態(tài)的三維掃描方法，其步驟包括(1)采集定標(biāo)板圖像和植物器官圖像；
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(2)對攝像機進行定標(biāo)，得到該攝像機的定標(biāo)參數(shù)和畸變系數(shù)；(3)提取序列圖像的每一張圖像中被測對象的輪廓，并獲取全部輪廓點的像素坐標(biāo)；(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，得到表征被測對象外殼的點集，即點云；該方法還可以包括如下附加步驟(5)顯示三維重建效果，并其采用人機結(jié)合的方式進行修補；(6)將E中得到的點云數(shù)據(jù)整理成標(biāo)準(zhǔn)格式的DXF文件。其中，所述步驟⑵具體為(2. 1)檢測定標(biāo)參考點并生成世界坐標(biāo)和像素坐標(biāo)信息；(2. 2)對定標(biāo)板的傾斜狀況進行校正；(2. 3)求得無畸變的初步定標(biāo)參數(shù)矩陣M0,并求得徑向畸變系數(shù)K1和K2 ；(2. 4)對定標(biāo)圖像進行徑向畸變校正；(2. 5)使用畸變校正過的定標(biāo)圖像，重復(fù)2. 1 2. 3所述步驟，得到最終的定標(biāo)參數(shù)矩陣M。其中，所述步驟(4)具體為(4. 1)利用徑向畸變系數(shù)K1和K2對各輪廓圖像進行徑向畸變校正；(4. 2)構(gòu)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(biāo)系原點重合，該虛擬立方體按照一定分辨率被劃分為多個小立方體；同時可以結(jié)合分辨率和世界坐標(biāo)的設(shè)定，獲得所有小立方體的世界坐標(biāo)值；(4. 3)根據(jù)帶動植物器官的轉(zhuǎn)軸偏移，對世界坐標(biāo)系進行校正；(4. 4)利用前述方法求得的定標(biāo)參數(shù)，在定標(biāo)方程中確定了世界坐標(biāo)與像素坐標(biāo)之間的投影映射關(guān)系。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(nèi)的小立方體。依次處理完全部植物器官圖像，余下的立方體即是植物器官的外殼。本發(fā)明還提出了一種獲得植物器官形態(tài)的三維掃描系統(tǒng)，包括人機界面，用于設(shè)定掃描系統(tǒng)的各種參數(shù)；圖像采集模塊，用于采集定標(biāo)圖像和植物器官形態(tài)圖像；定標(biāo)模塊，用于計算定標(biāo)參數(shù)；三維重建模塊，由二維數(shù)字圖像重建為三維立體模型。優(yōu)選的，所述圖像采集模塊進一步包括定標(biāo)圖像的采集，通過協(xié)調(diào)控制相機與數(shù)控導(dǎo)軌，自動化地完成定標(biāo)圖像采集。 即，使相機在定標(biāo)板移動到每一個預(yù)定的位置，拍攝一張定標(biāo)圖像；植物器官形態(tài)圖像的采集，通過協(xié)調(diào)控制相機與數(shù)控轉(zhuǎn)臺，自動化地完成定標(biāo)圖像采集。即，設(shè)定合適的轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)速度和相機幀率，使得以設(shè)定的等間隔角度連續(xù)拍攝植物器官旋轉(zhuǎn)一周的圖像。優(yōu)選的，所述定標(biāo)模塊進一步包括定標(biāo)參考點自動檢測與信息生成模塊，用于定標(biāo)參考點自動檢測和信息的自動生成；
定標(biāo)板偏移校正模塊，用于定標(biāo)板傾斜狀態(tài)的校正矩陣的計算；徑向畸變系數(shù)計算模塊，用于計算相機的徑向畸變系數(shù)；定標(biāo)參數(shù)計算模塊，用于計算并輸出定標(biāo)參數(shù)。優(yōu)選的，所述三維重建計算模塊進一步包括重建圖像預(yù)處理模塊，用于檢測圖像邊緣；轉(zhuǎn)臺偏移校正模塊，用于計算電動轉(zhuǎn)臺非垂直狀態(tài)的校正矩陣的計算；投影計算模塊，用于包圍盒的點對圖像輪廓點的投影判定；點云生成模塊，用于控制投影計算模塊，依次處理系列輪廓圖像，得到物體表面點集合(點云)；三維構(gòu)型模塊，將點云數(shù)據(jù)三角化，顯示重建效果；人機結(jié)合修補模塊，對錯誤疏漏部分進行修補；DXF文件生成模塊，將修補過的點云數(shù)據(jù)整理并保存為DXF格式文件。本發(fā)明還公開了一種植物器官形態(tài)的三維掃描裝置，包括光學(xué)平臺，用于放置安裝其他儀器設(shè)備；計算機，用于定標(biāo)計算，驅(qū)動器控制，三維重建計算等信息處理中心相機和圖像采集卡，用于采集圖像；數(shù)控導(dǎo)軌及相應(yīng)的驅(qū)動器，用于定標(biāo)板的移動；數(shù)控轉(zhuǎn)臺及相應(yīng)的驅(qū)動器，用于植物器官的轉(zhuǎn)動；儀器底座，用于相機的可調(diào)節(jié)固定；自制的轉(zhuǎn)臺支撐架，用于固定倒扣的電動轉(zhuǎn)臺；定標(biāo)板，用于作為定標(biāo)參照物；背景屏，用于采集掃描對象圖像的背景；還可以包括輔助設(shè)備，用于裝置的照明、電源等。本發(fā)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，并根據(jù)植物器官的基本結(jié)構(gòu)特征，創(chuàng)建了適合的快速三維重建算法，有效地實現(xiàn)了其三維重建?？蓪崿F(xiàn)植物器官的三維構(gòu)型的定量描述和分析，從而為研究植物器官生長及其營養(yǎng)功能提供新的手段。本方法僅僅需要一個攝像機作為圖像采集設(shè)備，成本低廉；全過程實現(xiàn)了自動化， 操作簡便；三維重建算法不需要尋找對應(yīng)點，因此穩(wěn)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(huán)境，對掃描對象無損害作用，使用安全可靠；掃描范圍廣，既可以應(yīng)用于尺寸小的場合，也可以掃描尺寸比較大的對象。


圖1是植物形態(tài)構(gòu)型三維掃描系統(tǒng)的具體實施硬件結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是計算機中功能模塊結(jié)構(gòu)示意和信息處理流程圖；圖3是定標(biāo)功能模塊程序流程圖；圖4是定標(biāo)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(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)軸偏移校正示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施例，對本發(fā)明進行詳細說明。一種植物器官形態(tài)的三維掃描方法，其步驟包括(1)采集定標(biāo)板圖像和植物器官圖像；定標(biāo)圖像采集定標(biāo)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(biāo)板跟隨導(dǎo)軌精確可控地平行移動，在設(shè)定的不同位置上拍攝定標(biāo)板圖像，完成定標(biāo)圖像的采集；植物器官圖像采集植物器官處于自然下垂?fàn)顟B(tài)，被夾具固定于轉(zhuǎn)臺上，跟隨轉(zhuǎn)臺精確可控地旋轉(zhuǎn)，每轉(zhuǎn)過一定的設(shè)定角度，拍攝一張圖像，轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)一周，得到多張系列的圖像，實現(xiàn)植物器官形態(tài)的圖像采集。等間隔角度記為α，圖像數(shù)量為360/α。(2)對攝像機進行定標(biāo)，得到該攝像機的定標(biāo)參數(shù)和畸變系數(shù)；(a)角點檢測運用圖像處理的方法，依次進行自適應(yīng)濾波、二值化、閥值分割、邊緣檢測、直線擬合，得到定標(biāo)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(biāo)參考點，即角點，總數(shù)為η。角點信息包括世界坐標(biāo)和像素坐標(biāo)，由如下方法獲得設(shè)定世界坐標(biāo)原點0(0，0， 0)(此原點也是三維重建的原點)。不失一般性，可令原點為處于轉(zhuǎn)軸正下方時定標(biāo)板上的任意一個角點，結(jié)合棋盤規(guī)律和導(dǎo)軌移動距離，可得到每一張定標(biāo)圖像中全部角點的世界坐標(biāo)(xwi，Ywi，Zwi)和像素坐標(biāo)(Ui，Vi)，i為角點的序號。(b)定標(biāo)板偏移校正定標(biāo)板的安裝和加工存在不可避免的偏移，對定標(biāo)精度影響巨大，必須對其進行偏移校正。對于本發(fā)明中設(shè)定的世界坐標(biāo)系，偏移規(guī)律可由基本的立體幾何關(guān)系得到。公式如下
權(quán)利要求
1.一種植物器官形態(tài)的三維掃描方法，用于建立植物器官表面三維模型，該方法具體包括如下步驟(1)采集定標(biāo)板圖像和植物器官圖像序列；首先，設(shè)置可移動的定標(biāo)板，利用圖像采集設(shè)備采集該定標(biāo)板圖像； 其次，對位于定標(biāo)板移動范圍內(nèi)的植物器官進行周身圖像采集，獲得植物器官周身圖像序列；(2)對定標(biāo)板圖像進行處理，獲得所述圖像采集設(shè)備的定標(biāo)參數(shù)矩陣和徑向畸變系數(shù) 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(biāo)；(4)對所述每個輪廓進行處理，獲得表征被測對象即植物器官外殼的點集，實現(xiàn)對植物器官的三維重建，具體為(4. 1)利用徑向畸變系數(shù)K1和K2對各輪廓圖像進行徑向畸變校正； (4. 2)構(gòu)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(biāo)系原點重合， 該虛擬立方體按照一定分辨率被劃分為多個小立方體；同時結(jié)合分辨率和世界坐標(biāo)的設(shè)定，獲得所有小立方體的世界坐標(biāo)值；(4. 3)根據(jù)帶動植物器官的轉(zhuǎn)軸偏移，對世界坐標(biāo)系進行校正； (4. 4)利用所述定標(biāo)參數(shù)矩陣，在定標(biāo)方程中確定世界坐標(biāo)與像素坐標(biāo)之間的投影映射關(guān)系，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(nèi)的小立方體，依次處理完全部植物器官圖像，余下的立方體即是植物器官的外殼。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步驟O)的具體過程為 (2. 1)檢測定標(biāo)參考點并生成世界坐標(biāo)和像素坐標(biāo)信息；(2. 2)對定標(biāo)板的傾斜狀況進行校正；(2. 3)求得無畸變的初步定標(biāo)參數(shù)矩陣，獲得徑向畸變系數(shù)Kl和K2 ；(2. 4)利用所述徑向畸變系數(shù)Kl和K2對定標(biāo)板圖像進行徑向畸變校正；(2. 5)使用畸變校正過的定標(biāo)板圖像，再次確定定標(biāo)參考點，得到最終的定標(biāo)參數(shù)矩陣。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述初步定標(biāo)參數(shù)矩陣和最終的定標(biāo)參數(shù)矩陣均通過如下矩陣定標(biāo)方程計算得到
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的方法，其特征在于，計算初步定標(biāo)參數(shù)矩陣時，以近光心的角點作為無徑向畸變的定標(biāo)參考點；計算最終的定標(biāo)參數(shù)矩陣時，以對全部定標(biāo)圖像進行畸變校正后的角點作為定標(biāo)參考點。
5.根據(jù)權(quán)利要求2-4之一所述的方法，其特征在于，所述徑向畸變系數(shù)Ic1A2通過如下方式計算得到
6.一種實現(xiàn)權(quán)利要求1-5之一所述方法的植物器官形態(tài)三維掃描系統(tǒng)，包括 人機界面，用于設(shè)定掃描系統(tǒng)的各種參數(shù)；圖像采集模塊，用于采集定標(biāo)圖像和植物器官形態(tài)圖像； 定標(biāo)模塊，用于計算定標(biāo)參數(shù)；三維重建模塊，用于重建植物器官表面的三維立體模型。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述的定標(biāo)模塊包括定標(biāo)參考點自動檢測與信息生成模塊，用于定標(biāo)計算所需的定標(biāo)參考點自動檢測與信息的自動生成；定標(biāo)板偏移校正模塊，用于定標(biāo)板傾斜狀態(tài)的校正矩陣的計算； 徑向畸變系數(shù)計算模塊，用于計算圖像采集設(shè)備的徑向畸變系數(shù)； 定標(biāo)參數(shù)計算模塊，用于計算并輸出定標(biāo)參數(shù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述三維重建計算模塊包括 重建圖像預(yù)處理模塊，用于濾除噪聲和檢測圖像邊緣；轉(zhuǎn)臺偏移矩陣計算模塊，用于計算電動轉(zhuǎn)臺非垂直狀態(tài)的校正矩陣的計算； 投影計算模塊，用于包圍盒的點對圖像輪廓點的投影判定；點云生成模塊，用于控制投影計算模塊，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(xiàn)權(quán)利要求1-8之一所述方法的植物器官形態(tài)三維掃描裝置，其特征在于， 包括光學(xué)平臺，用于放置安裝儀器設(shè)備；圖像采集設(shè)備，用于采集圖像；定標(biāo)板，用于作為定標(biāo)參照物；數(shù)控導(dǎo)軌及相應(yīng)的驅(qū)動器，用于定標(biāo)板的移動；數(shù)控轉(zhuǎn)臺及相應(yīng)的驅(qū)動器，用于植物器官的轉(zhuǎn)動；計算機，用于定標(biāo)計算，驅(qū)動器控制和三維重建計算。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種植物器官形態(tài)的三維掃描方法，用于建立植物器官表面三維模型，該方法具體包括如下步驟(1)采集定標(biāo)板圖像和植物器官圖像序列；(2)對定標(biāo)板圖像進行處理，獲得所述圖像采集設(shè)備的定標(biāo)參數(shù)和徑向畸變系數(shù)；(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(biāo)；(4)對所述每個輪廓進行處理，獲得表征被測對象即植物器官外殼的點集，即可實現(xiàn)對植物器官的三維重建；本發(fā)明的主要應(yīng)用于農(nóng)林業(yè)領(lǐng)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(xiàn)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(yōu)先權(quán)日2011年3月23日
發(fā)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(xué)