专利名称：植物器官形态的三维扫描方法及扫描系统和装置的制作方法
技术领域：
本发明属于图像处理技术领域，具体涉及一种植物器官形态的立体信息扫描和恢复方法。
背景技术：
植物器官形态是植物某些器官如植物的根、枝、茎等的。植物器官在介质或空间中的造型与分布，即植物器官形态构型的差异，对养分吸收以及磷源分配等重要生理功能影响显著，所以对其参数的测定与分析非常重要，对于合理选种、配种、套种和提高农业产量都有重要的指导作用。另外，以农林业为应用背景的植物生长建模与仿真，不仅为分析植物生态生理提供精确测量数据，而且为计算机模拟实验及其运用网络系统进行农作物管理决策支持系统提供直观可靠的实验材料和“通信代码”。建立以实际精确测量数据为基础的几何模型是它们的基础技术，而且也是交互式植物三维形态辅助设计及动画生成技术和作物生长系统的数字化可视化技术的关键技术
■石出。植物器官形态构型的研究，必须利用三维扫描系统建立三维模型(立体信息)。理论上利用核磁共振、CT成像等方法可以获得原位的断层扫描图像，并可重建三维图像，但所需仪器设备及消耗材料昂贵；而现有的医学专用影像设备和有关重建方法又尚未达到作物形体参数测定的精度要求。近年来，高精度、低价格的三维扫描仪，已在计算机视觉和计算机辅助设计中被广泛运用，这使得采用经济的设备获取高精度的作物形体三维模型成为可能。植物器官普遍具有异常丰富的细节，普通的三维扫描仪很难实现其高精度的立体信息获取。研制一种满足其需要的高精度、低成本的三维扫描仪，是十分紧迫而且必要的任务。立体信息的获取是图像分析、计算机视觉中的重要任务之一，国内外学者在这一领域中作了大量的工作，一些实用装置己应用于实际工作中。目前这方面的工作从应用目的可分为两大类，一类是获得视觉范围的立体信息，如同人的视觉；另一类是以所摄物体为中心，获取物体表面全方位立体信息。
发明内容
本发明目的之一是提出一种获得植物器官形态的三维扫描方法，基于无接触的光学三角测量，通过处理视觉设备捕捉的物体形状来获取植物器官表面三维几何信息，从而建立植物器官表面三维模型。本发明的方法能快速有效地实现植物器官形态的三维重建， 具有精度高，低本低，使用安全和易于实现的特点。实现本发明的目的所采用的具体技术方案如下。一种植物器官形态的三维扫描方法，其步骤包括(1)采集定标板图像和植物器官图像；
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(2)对摄像机进行定标，得到该摄像机的定标参数和畸变系数；(3)提取序列图像的每一张图像中被测对象的轮廓，并获取全部轮廓点的像素坐标；(4)从虚拟立方体对轮廓点进行投影判定，处理全部的系列轮廓图像，得到表征被测对象外壳的点集，即点云；该方法还可以包括如下附加步骤(5)显示三维重建效果，并其采用人机结合的方式进行修补；(6)将E中得到的点云数据整理成标准格式的DXF文件。其中，所述步骤⑵具体为(2. 1)检测定标参考点并生成世界坐标和像素坐标信息；(2. 2)对定标板的倾斜状况进行校正；(2. 3)求得无畸变的初步定标参数矩阵M0,并求得径向畸变系数K1和K2 ；(2. 4)对定标图像进行径向畸变校正；(2. 5)使用畸变校正过的定标图像，重复2. 1 2. 3所述步骤，得到最终的定标参数矩阵M。其中，所述步骤(4)具体为(4. 1)利用径向畸变系数K1和K2对各轮廓图像进行径向畸变校正；(4. 2)构建笼罩植物器官的虚拟立方体，所述虚拟立方体中心与世界坐标系原点重合，该虚拟立方体按照一定分辨率被划分为多个小立方体；同时可以结合分辨率和世界坐标的设定，获得所有小立方体的世界坐标值；(4. 3)根据带动植物器官的转轴偏移，对世界坐标系进行校正；(4. 4)利用前述方法求得的定标参数，在定标方程中确定了世界坐标与像素坐标之间的投影映射关系。对所有小立方体做投影计算，剔除投影在植物器官图像轮廓外的小立方体，保留投影在轮廓内的小立方体。依次处理完全部植物器官图像，余下的立方体即是植物器官的外壳。本发明还提出了一种获得植物器官形态的三维扫描系统，包括人机界面，用于设定扫描系统的各种参数；图像采集模块，用于采集定标图像和植物器官形态图像；定标模块，用于计算定标参数；三维重建模块，由二维数字图像重建为三维立体模型。优选的，所述图像采集模块进一步包括定标图像的采集，通过协调控制相机与数控导轨，自动化地完成定标图像采集。 即，使相机在定标板移动到每一个预定的位置，拍摄一张定标图像；植物器官形态图像的采集，通过协调控制相机与数控转台，自动化地完成定标图像采集。即，设定合适的转台旋转速度和相机帧率，使得以设定的等间隔角度连续拍摄植物器官旋转一周的图像。优选的，所述定标模块进一步包括定标参考点自动检测与信息生成模块，用于定标参考点自动检测和信息的自动生成；
定标板偏移校正模块，用于定标板倾斜状态的校正矩阵的计算；径向畸变系数计算模块，用于计算相机的径向畸变系数；定标参数计算模块，用于计算并输出定标参数。优选的，所述三维重建计算模块进一步包括重建图像预处理模块，用于检测图像边缘；转台偏移校正模块，用于计算电动转台非垂直状态的校正矩阵的计算；投影计算模块，用于包围盒的点对图像轮廓点的投影判定；点云生成模块，用于控制投影计算模块，依次处理系列轮廓图像，得到物体表面点集合(点云)；三维构型模块，将点云数据三角化，显示重建效果；人机结合修补模块，对错误疏漏部分进行修补；DXF文件生成模块，将修补过的点云数据整理并保存为DXF格式文件。本发明还公开了一种植物器官形态的三维扫描装置，包括光学平台，用于放置安装其他仪器设备；计算机，用于定标计算，驱动器控制，三维重建计算等信息处理中心相机和图像采集卡，用于采集图像；数控导轨及相应的驱动器，用于定标板的移动；数控转台及相应的驱动器，用于植物器官的转动；仪器底座，用于相机的可调节固定；自制的转台支撑架，用于固定倒扣的电动转台；定标板，用于作为定标参照物；背景屏，用于采集扫描对象图像的背景；还可以包括辅助设备，用于装置的照明、电源等。本发明具有如下有益效果通过处理拍摄的植物器官的系列图像，并根据植物器官的基本结构特征，创建了适合的快速三维重建算法，有效地实现了其三维重建。可实现植物器官的三维构型的定量描述和分析，从而为研究植物器官生长及其营养功能提供新的手段。本方法仅仅需要一个摄像机作为图像采集设备，成本低廉；全过程实现了自动化， 操作简便；三维重建算法不需要寻找对应点，因此稳定、简单快速；可以同时获得多个扫描点，扫描速度快；不会损坏环境，对扫描对象无损害作用，使用安全可靠；扫描范围广，既可以应用于尺寸小的场合，也可以扫描尺寸比较大的对象。
图1是植物形态构型三维扫描系统的具体实施硬件结构示意图；图2是计算机中功能模块结构示意和信息处理流程图；图3是定标功能模块程序流程图；图4是定标板偏移校正示意图；图5是三维重建模块的程序流程图；图6是投影判定原理示意图7是电动转台转轴偏移校正示意图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例，对本发明进行详细说明。一种植物器官形态的三维扫描方法，其步骤包括(1)采集定标板图像和植物器官图像；定标图像采集定标板为印刷有边长为10毫米的黑白方格图案的围棋盘状单模板。定标板跟随导轨精确可控地平行移动，在设定的不同位置上拍摄定标板图像，完成定标图像的采集；植物器官图像采集植物器官处于自然下垂状态，被夹具固定于转台上，跟随转台精确可控地旋转，每转过一定的设定角度，拍摄一张图像，转台旋转一周，得到多张系列的图像，实现植物器官形态的图像采集。等间隔角度记为α，图像数量为360/α。(2)对摄像机进行定标，得到该摄像机的定标参数和畸变系数；(a)角点检测运用图像处理的方法，依次进行自适应滤波、二值化、阀值分割、边缘检测、直线拟合，得到定标图像的边缘的直线方程，再求直线交点，即得到全部的黑白方块的交点，为定标参考点，即角点，总数为η。角点信息包括世界坐标和像素坐标，由如下方法获得设定世界坐标原点0(0，0， 0)(此原点也是三维重建的原点)。不失一般性，可令原点为处于转轴正下方时定标板上的任意一个角点，结合棋盘规律和导轨移动距离，可得到每一张定标图像中全部角点的世界坐标(xwi，Ywi，Zwi)和像素坐标(Ui，Vi)，i为角点的序号。(b)定标板偏移校正定标板的安装和加工存在不可避免的偏移，对定标精度影响巨大，必须对其进行偏移校正。对于本发明中设定的世界坐标系，偏移规律可由基本的立体几何关系得到。公式如下
权利要求
1.一种植物器官形态的三维扫描方法，用于建立植物器官表面三维模型，该方法具体包括如下步骤(1)采集定标板图像和植物器官图像序列；首先，设置可移动的定标板，利用图像采集设备采集该定标板图像； 其次，对位于定标板移动范围内的植物器官进行周身图像采集，获得植物器官周身图像序列；(2)对定标板图像进行处理，获得所述图像采集设备的定标参数矩阵和径向畸变系数 K1 和 K2 ；(3)提取所述植物器官周身图像序列的每一张图像中的植物器官的轮廓，获得每个轮廓上的所有像素点坐标；(4)对所述每个轮廓进行处理，获得表征被测对象即植物器官外壳的点集，实现对植物器官的三维重建，具体为(4. 1)利用径向畸变系数K1和K2对各轮廓图像进行径向畸变校正； (4. 2)构建笼罩植物器官的虚拟立方体，所述虚拟立方体中心与世界坐标系原点重合， 该虚拟立方体按照一定分辨率被划分为多个小立方体；同时结合分辨率和世界坐标的设定，获得所有小立方体的世界坐标值；(4. 3)根据带动植物器官的转轴偏移，对世界坐标系进行校正； (4. 4)利用所述定标参数矩阵，在定标方程中确定世界坐标与像素坐标之间的投影映射关系，再对所有小立方体做投影计算，剔除投影在植物器官图像轮廓外的小立方体，保留投影在轮廓内的小立方体，依次处理完全部植物器官图像，余下的立方体即是植物器官的外壳。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤O)的具体过程为 (2. 1)检测定标参考点并生成世界坐标和像素坐标信息；(2. 2)对定标板的倾斜状况进行校正；(2. 3)求得无畸变的初步定标参数矩阵，获得径向畸变系数Kl和K2 ；(2. 4)利用所述径向畸变系数Kl和K2对定标板图像进行径向畸变校正；(2. 5)使用畸变校正过的定标板图像，再次确定定标参考点，得到最终的定标参数矩阵。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述初步定标参数矩阵和最终的定标参数矩阵均通过如下矩阵定标方程计算得到
4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，计算初步定标参数矩阵时，以近光心的角点作为无径向畸变的定标参考点；计算最终的定标参数矩阵时，以对全部定标图像进行畸变校正后的角点作为定标参考点。
5.根据权利要求2-4之一所述的方法，其特征在于，所述径向畸变系数Ic1A2通过如下方式计算得到
6.一种实现权利要求1-5之一所述方法的植物器官形态三维扫描系统，包括 人机界面，用于设定扫描系统的各种参数；图像采集模块，用于采集定标图像和植物器官形态图像； 定标模块，用于计算定标参数；三维重建模块，用于重建植物器官表面的三维立体模型。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述的定标模块包括定标参考点自动检测与信息生成模块，用于定标计算所需的定标参考点自动检测与信息的自动生成；定标板偏移校正模块，用于定标板倾斜状态的校正矩阵的计算； 径向畸变系数计算模块，用于计算图像采集设备的径向畸变系数； 定标参数计算模块，用于计算并输出定标参数。
8.根据权利要求6或7所述的系统，其特征在于，所述三维重建计算模块包括 重建图像预处理模块，用于滤除噪声和检测图像边缘；转台偏移矩阵计算模块，用于计算电动转台非垂直状态的校正矩阵的计算； 投影计算模块，用于包围盒的点对图像轮廓点的投影判定；点云生成模块，用于控制投影计算模块，依次处理系列轮廓图像，得到物体表面点集I=I ο
9.一种实现权利要求1-8之一所述方法的植物器官形态三维扫描装置，其特征在于， 包括光学平台，用于放置安装仪器设备；图像采集设备，用于采集图像；定标板，用于作为定标参照物；数控导轨及相应的驱动器，用于定标板的移动；数控转台及相应的驱动器，用于植物器官的转动；计算机，用于定标计算，驱动器控制和三维重建计算。
全文摘要
本发明公开了一种植物器官形态的三维扫描方法，用于建立植物器官表面三维模型，该方法具体包括如下步骤(1)采集定标板图像和植物器官图像序列；(2)对定标板图像进行处理，获得所述图像采集设备的定标参数和径向畸变系数；(3)提取所述植物器官周身图像序列的每一张图像中的植物器官的轮廓，获得每个轮廓上的所有像素点坐标；(4)对所述每个轮廓进行处理，获得表征被测对象即植物器官外壳的点集，即可实现对植物器官的三维重建；本发明的主要应用于农林业领域，可同时获得多个扫描点，扫描速度快；扫描精度高，达到像素级水平；主要操作基本实现自动化，操作简便。
文档编号G06T17/00GK102184563SQ20111007119
公开日2011年9月14日 申请日期2011年3月23日 优先权日2011年3月23日
发明者夏丹, 徐胜勇, 李德华, 李清光, 赵来宾 申请人:华中科技大学