一种面向绿色植物时序模型的点云采集平台制造技术

本实用新型专利技术公开了一种面向绿色植物时序模型的点云采集平台，属于植物三维形态表型测量技术领域，针对构建植物三维模型时，目标植物茎杆细长、叶片细小柔软，常用的方法因普遍要使植物旋转、传感器固定而容易造成此类植物的茎杆、叶片抖动，从而影响三维模型重构质量低下，同时，现有的SfM算法在植物三维形态表型测量领域存在坐标系不一致、重复性差、可靠度低的缺陷，本实用新型专利技术能适应植物固定、传感器运动的图像采集方式，且能有效避免由于传感器运动导致的传感器位置参数缺失、精度无法保障、图像噪音太大等缺点，是满足植物时序模型坐标系一致性要求的植物三维点云获取平台。

A point cloud acquisition platform for green plant time series model

【技术实现步骤摘要】
一种面向绿色植物时序模型的点云采集平台
本技术属于植物三维形态表型测量
，具体地说，涉及一种面向绿色植物时序模型的点云采集平台。
技术介绍
植物表型是指反映植物结构、组成、发育过程和结果的一系列物理、生理和生化特性及性状；研究植物表型能够指导植物基因型研究，对植物基因组学的发展、掌握植物发展规律具有重要的意义。通过测量植物的表型参数，分析各项参数随时间的变化规律，可以构建植物的动态生长模型，即植物的时序模型，用于直观显示植物随时间推演根、茎、叶、花和果实的外观形态、拓扑结构的变化，并可由于预测不同环境条件和栽培措施下的植物长势，同时还能结合计算机图形学技术，作为数字化虚拟植物生长的参数来源。植物的表型参数繁多，其中最为直观的就是植物生长的几何拓扑结构，即植物的形态表型参数。由于植物相对复杂的空间形态结构，单纯二维层面的图像分析难以得到更精确的测量值，因此需要依靠一些三维测量方式获取植物生长过程中的三维形态表型参数；获取三维形态表型参数前，尤为重要的是重构出植物的三维模型。重构植物的三维模型必然需要在植物从播种、生根、发芽、长叶、开花、结果的全生长周期过程中，连续、多次、重复采集植物的形态表型参数，每次采集结果不因环境变化而受影响，且采集结果精度高、可靠度好、迅速方便。重构物体的三维模型的方法总体可分为两种，一种为主动式，即向对象投射一些特殊的光源或能量，通过检测透射或反射的能量来得到三维形态信息，例如利用三维扫描设备，采用结构光、编码光、激光等技术对真实物体进行扫描，直接得到物体空间点的信息，进而重构出三维形态；另一种为被动式，即不需要向对象投射某种光源或能量，而是检测对象反射环境的某种能量，例如利用摄像机、数码相机从各个视角拍摄的真实物体的两幅或者多幅图像进行重构。目前植物表型检测领域获取植株三维模型的方法主要是主动式中的激光法，通过向植株对象发射激光信号，计算从发射信号到接收到反射信号的时间或相位变化，估算出信号的运行距离，从而计算出对象的空间位置信息。激光法的优点是重构准确性好，但是对仪器的精度要求非常高，因而成本也非常高。主动式中的向植物发射结构光、编码光，拍摄植株对象表面的光反射分布状态，依据几何学计算出表面的位置信息也常被用来获取植株的三维模型。这种方法的优点在于计算简单、扫描速度快；在精度方面，根据发射的结构光、编码光的状态，有一定的波动，但整体而言精度较激光法要差。除了上述的两种主动式的获取植物三维模型方法外，被动式中的单目或双目视觉的方法也常被用于植物的三维模型重构。其原理为预先放置好工业相机，并对工业相机进行标定，计算出工业相机的内、外参矩阵；单目视觉方法使用一个相机，令植物对象依次旋转一定的角度拍摄二维图片，再计算出二维图片上像素点在空间中相对相机的位置；双目视觉方法则在植物两侧各放置一个相机，令植物对象依次旋转一定的角度，两相机同时拍摄二维图片，再计算出二维图片上像素点在空间中相对两个相机的位置。以上常用的获取植物三维模型方法都能够得到较为准确的植物三维模型，但其都有一个共性，即为了获取多角度的三维信息，都选取了植物旋转而传感器固定的运动方式。而当重建对象是茎杆细长且叶片细小柔软的植物时，这种植物旋转的运动方式很容易引起植物茎杆、叶片等器官的抖动，严重影响重建质量。为了避免植物器官的抖动，一方面可以优化带动植物旋转的控制系统，但难免会降低旋转的速度，不利于重建的高效性；另一方面，也可以选择令植株固定而传感器运动的方案。但由于激光发射接收器本身结构精密且复杂，结构光、编码光以及单目、双目视觉方法都需要提前对系统进行标定从而确定相机在系统中的参数，若使植株固定而传感器运动，需要确保一套精度和流畅度极高的驱动传感器系统运动的硬件控制系统成为必要条件，但仍还要解决其他影响重建的问题。综上，主动式重构植物三维模型的方法设备复杂、精度要求高、成本高，被动式中的单目或双目视觉用于植物的三维模型重构设备简单、精度要求低，成本相对低廉，但是若采用植物旋转而单目或双目相机固定的方式标定复杂、重建质量低。因此在使用相机重构植物三维模型时，采用植物固定而相机运动的方式成为确保重构模型精度高、设备成本低的途径。从运动恢复形状(StructurefromMotion，SfM)是被动式中一种构造三维模型的算法，其基本思想是令物体和相机发生相对运动并拍摄物体多个角度的二维图像序列，通过对该图像序列中的目标进行数学分析，计算物体或者相机的三维运动参数，由此得到物体的三维空间点云。常用的三维重构方法是在采集前预先对系统进行了标定，相机在系统中的相对位置提前确定，但是使用SfM算法所生成的三维模型的坐标系是在采集后估算出来的，即自动寻找特征匹配数最多的图像对作为初始图像对，开始计算外参及空间中的三维点；基于此初始图像对的计算结果，再不断添加新的图像进行计算。当随机选定拍摄位置和拍摄角度，并且拍摄环境(如光源、光照强度)不稳定时，对同一物体多次采集其图像序列用于三维重构，往往会造成每轮图像序列中特征匹配数最多的图像对不一致(即每次初始图像对拍摄时的位置是不一定的)，造成每次生成的三维模型的坐标系不一致，如图1所示，对同一批图像序列选取四组不同的初始图像对所生成的四组点云在同一个坐标系中的分布情况，可以发现对象植株四次的三维模型的坐标不统一，相互间的位置及尺度都偏差较大，这将造成在对这些三维模型提取参数时，需要额外针对每次生成的坐标系调整相关的参数，使得算法的重复性不可靠。而植物的时序模型研究需要基于多个时间段的植物三维模型，如某植物生长周期是六周，为研究其时序模型，需要每天定时采集其三维模型；若使用SfM算法，生成的三维模型坐标系不一致将为后续参数提取造成不便，例如：SfM算法生成的三维点云中包含除了植株对象点云外的其他环境点云(因为这些环境点云也被拍摄入图像序列并被识别为特征)，若每次生成的坐标系统一，可确定各坐标值范围直接过滤出植株对象点云；若每次生成的坐标系不统一，就难以确定每次的坐标值范围。同时，坐标系不一致包含尺度不一致，若对同一植物在短时间内获取其两个三维模型，而其尺度不一致，会导致两个三维模型中的同一叶片的长度不一致，导致测量结果的较大误差。此外，在一些常用的点云分割算法中，需要预先设置分割阈值参数(如欧式聚类分割)，若坐标系不一致导致尺度不一致，这样的分割阈值参数也难以做到标准化。还需要强调的是，虽然SfM算法对相机运动轨迹没有做严格要求，但是为尽可能保持重复采集的结果稳定，从植物表型参数采集的工程化角度出发，还是应该对相机的运动轨迹进行设定；同时，鉴于环境各种因素会影响SfM算法的特征识别，例如不同光源、光照强度会导致植物表面反射光的颜色质量不同，从而在使用颜色阈值分割植物点云时难以确定颜色阈值参数，因此也应该保证拍摄过程中环境因素的稳定。所以，搭建一个可靠、稳定且适合SfM算法的采集硬件平台是尤为重要的。
技术实现思路
1、要解决的问题针对现有SfM算法在在植物三维形态表型测量领域存在坐标系不一致、重复性差、可靠度低的缺陷的问题，本技术提供一种面向绿色植物时序模型的点云采集平台；本技术能适应植物固定、传感器运动的图像采集方式，且能有效避免由于传感器运动导致的传感器位本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种面向绿色植物时序模型的点云采集平台，其特征在于，包括光源(1)、箱体框架(2)、箱体底板(6)、植物搭载平台(7)，还包括竖直导轨(3)、水平导轨(4)、定向轮(5)、电动旋转台(9)、旋转平台(10)、彩色标板；箱体框架(2)内的顶部装有光源(1)，箱体底板(6)安装电动旋转台(9)，电动旋转台(9)旋转中心轴与箱体中心轴重合，电动旋转台(9)内部设置蜗轮蜗杆变速器，蜗轮蜗杆变速器输入端设置电机(8)，输出端设置旋转平台(10)；水平导轨(4)一端与旋转平台(10)固定，水平导轨(4)另一端设置定向轮(5)，水平导轨(4)上设置有竖直导轨(3)，竖直导轨(3)可沿水平导轨(4)的长度方向移动，竖直导轨(3)上设置相机安装架，相机安装架可沿竖直导轨(3)的长度方向移动；植物搭载平台(7)穿过电动旋转台(9)的中心通孔，固定于箱体底板(6)上，其顶部平面上放置彩色标板，彩色标板的中心与顶部平面的中心位置重合，在彩色标板上再放置植物对象，令植物对象的盆底中心位于彩色标板的中心。

【技术特征摘要】
1.一种面向绿色植物时序模型的点云采集平台，其特征在于，包括光源(1)、箱体框架(2)、箱体底板(6)、植物搭载平台(7)，还包括竖直导轨(3)、水平导轨(4)、定向轮(5)、电动旋转台(9)、旋转平台(10)、彩色标板；箱体框架(2)内的顶部装有光源(1)，箱体底板(6)安装电动旋转台(9)，电动旋转台(9)旋转中心轴与箱体中心轴重合，电动旋转台(9)内部设置蜗轮蜗杆变速器，蜗轮蜗杆变速器输入端设置电机(8)，输出端设置旋转平台(10)；水平导轨(4)一端与旋转平台(10)固定，水平导轨(4)另一端设置定向轮(5)，水平导轨(4)上设置有竖直导轨(3)，竖直导轨(3)可沿水平导轨(4)的长度方向移动，竖直导轨(3)上设置相机安装架，相机安装架可沿竖直导轨(3)的长度方向移动；植物搭载平台(7)穿过电动旋转台(9)的中心通孔，固定于箱体底板(6)上，其顶部平面上放置彩色标板，彩色标板的中心与顶部平面的中心位置重合，在彩色标板上再放置植物对象，令植物对象的盆底中心位于彩色标板的中心。2.根据权利要求1所述的面向绿色植物时序模型的点云采集平台，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：王国苏，张慧春，郑加强，周宏平，
申请(专利权)人：南京林业大学，
类型：新型
国别省市：江苏,32