申请/专利权人：华南理工大学

申请日：2020-11-10

公开（公告）日：2024-04-26

公开（公告）号：CN112509142B

主分类号：G06T17/20

分类号：G06T17/20;G06T7/187;G06T5/70;G06V10/762

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.26#授权;2021.04.02#实质审查的生效;2021.03.16#公开

摘要：本发明公开了一种基于面向表型精确鉴定的豆株快速三维重建方法，用户使用Kinect每隔设定角度扫描大豆植株即豆株，获得若干帧豆株放置于自动转盘之上的点云场景，经直通滤波去除点云背景和统计滤波去除离群点后，根据用户提供的旋转角进行罗德里格斯公式计算出粗配准矩阵，使用ICP算法进行精细配准，对于植株点云进行分层聚类得到骨架点，对于骨架点设置每个点与最近的K个点相邻得到多个连通分量，对于根节点所在的主干连通分量进行主干Dijkstra路径生长和枝干生长点的选取以及枝干连通分量Dijkstra路径生长，最后利用pyvista可视化库进行植株骨架的三维可视化。本发明无需利用软件事先对于植物点云进行处理获取参数，节省了建模软件购买开支和建模软件学习使用时间成本，更为高效。

主权项：1.基于面向表型精确鉴定的豆株快速三维重建方法，其特征在于：首先，用户使用Kinect每隔设定的角度扫描大豆植株即豆株，获得若干帧豆株放置于自动转盘之上的点云场景，经直通滤波去除点云背景和统计滤波去除离群点后，根据用户提供的旋转角进行罗德里格斯公式计算出粗配准矩阵，然后使用ICP算法进行精细配准，而后对于植株点云进行分层聚类得到骨架点，对于骨架点设置每个点与最近的K个点相邻得到多个连通分量，而后对于根节点所在的主干连通分量进行主干Dijkstra路径生长和枝干生长点的选取以及枝干连通分量Dijkstra路径生长，最后利用pyvista可视化库进行植株骨架的三维可视化；包括以下步骤：1使用Kincet和水平的自旋转平台每隔设定的角度获取一帧大豆植株放置于自动转盘之上的深度图像和RGB图像，通过彩色图和深度图对齐得到点云数据，并通过对点云数据进行滤波操作去除背景和离群点得到多帧豆株单帧点云；2对获取的多帧豆株单帧点云，基于角度和竖直向上的旋转轴进行罗德里格斯公式计算，得到粗配准旋转矩阵Rcoarse对多帧豆株单帧点云进行粗配准，具体如下：对于步骤1获取的多帧大豆植株单帧点云，通过旋转关系的推导将多帧大豆植株单帧点云统一到同一坐标系，对于豆株单帧点云在三维空间的一个旋转，用一个3行3列的矩阵进行表示，该矩阵被称为旋转矩阵，首先获取旋转轴的点云，由此能够确定旋转轴的位置，在扫描过程中旋转轴的朝向始终为竖直向上，得到基于自旋转平台的旋转轴旋转的角度θ的旋转过程对应的粗配准旋转矩阵Rcoarse步骤如下：2.1平移空间，使旋转轴穿过原点，记旋转过程对应的旋转矩阵为Tp；2.2绕z轴旋转空间，使旋转轴位于xz平面中，记旋转过程对应的旋转矩阵为Txz；2.3绕y轴旋转空间，使旋转轴沿z轴放置，记旋转过程对应的旋转矩阵为Tz；2.4记绕z轴旋转的角度θ旋转过程对应的旋转矩阵为Rzθ；2.5使旋转轴从z轴绕y轴旋转到xz平面，记旋转过程对应的旋转矩阵为Tz-1；2.6使旋转轴从xz平面绕z轴旋转到穿过原点的位置，记旋转过程对应的旋转矩阵为Txz-1；2.7使旋转轴从穿过原点的位置平移到穿过原旋转轴所在的空间位置，记旋转过程对应的旋转矩阵为TP-1；最终，得到粗配准旋转矩阵Rcoarse＝TP-1Txz-1Tz-1RzθTzTxzTp，通过对多帧豆株单帧点云逐帧计算对应角度值，能够算出每一帧单帧豆株点云对应的旋转过程的粗配准旋转矩阵；3对于粗配准的点云结果进行进一步的ICP计算，得到精配准旋转矩阵Ricp进行精细配准，到完整的配准豆株点云，即植株点云；4对于植株点云，以到根节点的欧式距离为考量进行分层，层数由用户确定；5对植物每一层的点云分别进行欧式聚类，取其重心点为骨架点，得到豆株骨架点云，即得到骨架点云图；6对于骨架点云图，设置点云图中的每个点与周边最近的K个点相邻，得到若干连通分量，其中植株根节点所在连通分量为主干连通分量，其余为枝干连通分量，K由用户给出，从主干连通分量最低点开始Dijkstra路径生长，得到主干骨架图；7对于某一枝干连通分量，在主干骨架的点云中选取点p1，满足p1到枝干连通分量所有点的欧氏距离之和最小，基于距离度量函数fd和角度度量函数gθ选出对应枝干连通分量的枝干生长点subroot，基于subroot进行Dijkstra路径生长，连接p1和subroot，得到完整豆株点云骨架连接；8对于多个枝干连通分量重复进行步骤6、7后，得到完整的植株骨架，对于每一段骨架连接，使用pyvista可视化库中的圆柱类进行代替，每一段圆柱基于大豆植株形态特征的考量赋予半径参数，并在过渡处进行平滑处理，随机添加树叶，得到三维可视化的植株模型。

全文数据：

权利要求：

百度查询： 华南理工大学 基于面向表型精确鉴定的豆株快速三维重建方法

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