一种基于三维点云牲畜表型体尺数据的自动测量方法技术

本发明专利技术公开了一种基于三维点云牲畜表型体尺数据的自动测量方法，该方法包括以下步骤：获取牲畜不同局部点云，对多个局部点云融合成全局点云；对牲畜的上方点云拟合中轴平面，进而获取牲畜的背脊轮廓线，在背脊线轮廓线上定位牲畜的体长起始点和体长终止点，并进行积分求得牲畜的体表长；根据牲畜的背脊轮廓线，获取地平面点云数据，并进行最小二乘拟合平面，得到地平面方程，再求牲畜的体高；利用牲畜的上方点云投影到XOY平面，得到点云数目分布的离散曲线图，找出胸宽在离散曲线图的位置，进而求牲畜的胸宽长度；选取待测量围度的切片，采用该切片建立极坐标系，将极坐标系绘制在直角坐标系上，再对其拟合曲线，利用极坐标弧长积分公式求取待测量围度。

An automatic measurement method based on three-dimensional point cloud animal phenotypic body size data

【技术实现步骤摘要】
一种基于三维点云牲畜表型体尺数据的自动测量方法
本专利技术涉及牲畜体型测量
，更具体的，涉及一种基于三维点云牲畜表型体尺数据的自动测量方法。
技术介绍
在种猪育种和生猪养殖中，为种猪遗传性能改良和大量生猪个体有效管理，需要建立生猪个体体型和体况评定方法。体型和体况评定目的是对牲畜的体长、体高、胸围、腹围、臀围等体型外貌性状进行表型采集。传统方法是直接用皮尺测量，但存在给牲畜造成驱赶应激、人工测量准确性差、测定效率低、复杂性状难以度量等问题。如测量猪的体长：业内公认牲畜体长人工测量标准为两耳根连线中点沿背脊线至尾根处的长度，测定时要求牲畜静止、直立，头部微抬。人工测量一般运用卷尺测量，该方法存在较大的主观因素，只能目估耳根点的位置，牲畜扭动时测量工具难以严格沿着牲畜体表的走向，测量结果与真实体表长有较大的误差。随着种猪育种和生猪养殖规模越来越大，迫切需要建立更为高效、准确且无应激的新方法。
技术实现思路
本专利技术为了解决传统采用人工进行测量存在准确性差、测定效率低、复杂性状难以度量等问题，提供了一种基于三维点云牲畜表型体尺数据的自动测量方法，其能自动对牲畜的表型体尺进行测量，且其能提高测量效率和测量精度。为实现上述本专利技术目的，采用的技术方案如下：一种基于三维点云牲畜表型体尺数据的自动测量方法，所述方法包括以下步骤：S1：获取牲畜经过通道时的瞬间不同局部点云，并对多个局部点云去噪拼接融合成全局点云，所述全局点云由若干个三维点坐标组成P(xi,yi,zi)，其中，x轴沿牲畜的体长方向，y轴垂直于地面，z轴沿牲畜的体宽方向；S2：对牲畜的上方点云拟合中轴平面，利用中轴平面与点云相切以获取牲畜的背脊轮廓线，利用牲畜体型在X轴方向点云数统计特征结合背脊线轮廓线定位牲畜的体长起始点和体长终止点，从起始点到终止点沿背脊线进行积分求得牲畜的体表长；S3：根据步骤S2得到的牲畜的背脊轮廓线，根据获取地平面点云数据，并进行最小二乘拟合平面，得到地平面方程，求背脊轮廓线前肢延伸的点到地平面方程的距离，从而得到牲畜的体高；S4：利用牲畜的上方点云投影到XOY平面，统计其X轴点云数目，得到点云数目分布的离散曲线图，根据牲畜胸宽的定义找出其在离散曲线图的位置，先定位其X轴坐标，再用X轴平面切牲畜上方点云，从相交平面定位Y轴最大值和最小值的点即为需要定位的胸宽点，两点之间的距离即为牲畜的胸宽长度；S5：牲畜的三围为胸围、腹围和臀围，选取待测量围度的切片，采用该切片建立极坐标系，将极坐标系绘制在直角坐标系上，再对其拟合曲线，在极坐标系下利用极坐标弧长积分公式求取曲线长度，即可得到取待测量围度。优选地，对于步骤S2，对牲畜的上方点云拟合中轴平面，具体如下：采取最小二乘法对牲畜上方点云拟合中轴平面；平面的一般方程为Ax+By+Cz+D＝0，将平面方程改写为令：则：z＝a0x+a1y+a2则对于点云P(xi,yi,zi)，为了使拟合平面贴近点云，则需要S最小，其中S的表达式如下：式中，S为拟合平面与点云的偏差；ak为未知数，k＝0,1,2；所以对各个未知数求偏导即解上述线性方程组，得到a0,a1,a2，从而得到的平面z＝a0x+a1y+a2，即为牲畜背部点云的拟合中轴平面；所述的拟合中轴平面与牲畜上方点云相交得空间曲线，即为牲畜的背脊轮廓线，利用牲畜体型在X轴方向点云数统计特征结合背脊轮廓线来定位起止点和终止点就是要测量的体长线。进一步地，利用牲畜体型在X轴方向点云数统计特征结合背脊轮廓线来定位起止点，具体如下：先对上方点云投影到其对应的XOY平面，并统计其X轴点云数目，得到其点云数目分布的离散曲线图；从离散曲线做拟合平滑并在平滑后的曲线上寻找各处拐点，结合牲畜的背脊轮廓线，找出测量体长的起始点位置xs和终止点位置xe。再进一步地，从体长的起始点到终止点连直线构成直线平面，所述直线平面相交牲畜点云得到一系列相交离散点，计算这一系列离散点构成的曲线长度，即为牲畜的体长；首先离散点向XOY和XOZ平面投影得到y(x)和z(x)的拟合曲线，其参数方程为：其中每一小段弧的微分为对起始点到终止点进行积分：从而得到牲畜的体长L。优选地，步骤S3，在对地平面点云数据进行最小二乘拟合平面之前，为排除单个噪声点的干扰，设定一个阈值h，从Y轴最低点开始从下往上取厚度为h的点云数据，再对点云数据进行最小二乘拟合平面。优选地，步骤S5，具体操作步骤如下：S501：利用上方点云投影到其对应的XOY平面，并统计X轴方向点云数目，得到其点云数目分布的离散曲线图，在离散曲线图上确定出腹围的测算位置Xa、胸围的测算位置Xb、臀围的测算位置XH；选取待测量围度的薄片，取出这一系列的点云，即获得待测量围度位置的切片；S502：获取YOZ平面切片的投影，选取切片左侧中心区域点求其左侧横坐标的平均值，同样选取切片右侧中心区域右侧横坐标的平均值，取右侧横坐标的平均值与左侧横坐标的平均值的中点作为中心点的横坐标；同样，求取切片上方纵坐标的平均值和下方纵坐标的平均值，并取这两个平均值的中点作为中心点的纵坐标，得到中心点O(y0,z0)；S503：以中心点O(y0,z0)为极点，从O(y0,z0)水平向右的射线为极轴，逆时针为正方向建立极坐标系，对每一个直角坐标系下的点p(yi,zi)，都通过坐标转换公式：将直角坐标转换成极坐标pi＝(ρi,θi),θ∈(0,2π)；S504：用转换好的极坐标点的角度为横坐标，极径为纵坐标，绘制在直角坐标系上，再对这一系列的点云作拟合曲线；S505：拟合后的曲线函数为ρ＝f(θ)，从而得到曲线上任意一点的坐标；在极坐标系下利用极坐标弧长积分公式求取曲线长度，计算公式如下：从θ＝0到θ＝2π求每一小段弧的长度并求和，得到该位置的围度长，即为带测量的围度。进一步地，步骤S502，在获取YOZ平面切片的投影之前，为了降低噪声干扰，对步骤S501得到的点云采用最近邻域加权平均去噪处理。进一步地，步骤S504，考虑到牲畜的腹部点云稀少，在测量牲畜的腹围时，对选取的点云进行非均匀有理B样条曲线拟合，得到该位置切片的拟合闭合曲线，再求曲线长度。本专利技术的有益效果如下：本专利技术从三个不同角度采集牲畜的身体点云，融合不同点云完成猪体三维重构，然后在猪体三维点云上定位体尺的特征关键点，建立非接触式全自动牲畜个体体型、体况信息采集测量方法，该方法能精准测量牲畜的体长、体高、胸宽、三围，进而实现牲畜的精细喂养、种畜筛选、培育与繁殖的体况自动精准评价。本专利技术有效解决了传统测量方法的效率低下、精度不高的问题。附图说明图1是本实施例所述自动测量方法的步骤流程图。图2是本实施例所述猪只上本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于三维点云牲畜表型体尺数据的自动测量方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：/nS1：获取牲畜经过通道时的瞬间不同局部点云，并对多个局部点云去噪拼接融合成全局点云，所述全局点云由若干个三维点坐标组成P(x

【技术特征摘要】
1.一种基于三维点云牲畜表型体尺数据的自动测量方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
S1：获取牲畜经过通道时的瞬间不同局部点云，并对多个局部点云去噪拼接融合成全局点云，所述全局点云由若干个三维点坐标组成P(xi,yi,zi)，其中，x轴沿牲畜的体长方向，y轴垂直于地面，z轴沿牲畜的体宽方向；
S2：对牲畜的上方点云拟合中轴平面，利用中轴平面与点云相切以获取牲畜的背脊轮廓线，利用牲畜体型在X轴方向点云数统计特征结合背脊线轮廓线定位牲畜的体长起始点和体长终止点，从起始点到终止点沿背脊线进行积分求得牲畜的体表长；
S3：根据步骤S2得到的牲畜的背脊轮廓线，根据获取地平面点云数据，并进行最小二乘拟合平面，得到地平面方程，求背脊轮廓线前肢延伸的点到地平面方程的距离，从而得到牲畜的体高；
S4：利用牲畜的上方点云投影到XOY平面，统计其X轴点云数目，得到点云数目分布的离散曲线图，根据牲畜胸宽的定义找出其在离散曲线图的位置，先定位其X轴坐标，再用X轴平面切牲畜上方点云，从相交平面定位Y轴最大值和最小值的点即为需要定位的胸宽点，两点之间的距离即为牲畜的胸宽长度；
S5：牲畜的三围为胸围、腹围和臀围，选取待测量围度的切片，采用该切片建立极坐标系，将极坐标系绘制在直角坐标系上，再对其拟合曲线，在极坐标系下利用极坐标弧长积分公式求取曲线长度，即得到取待测量围度。


2.根据权利要求1所述的基于三维点云牲畜表型体尺数据的自动测量方法，其特征在于：对于步骤S2，对牲畜的上方点云拟合中轴平面，具体如下：
采取最小二乘法对牲畜上方点云拟合中轴平面；
平面的一般方程为Ax+By+Cz+D＝0，
将平面方程改写为



令：
则：
z＝a0x+a1y+a2
则对于点云P(xi,yi,zi)，为了使拟合平面贴近点云，则需要S最小，其中S的表达式如下：



式中，S为拟合平面与点云的偏差；ak为未知数，k＝0,1,2；
所以对各个未知数求偏导



即



解上述线性方程组，得到a0,a1,a2，从而得到的平面z＝a0x+a1y+a2，即为牲畜背部点云的拟合中轴平面；
所述的拟合中轴平面与牲畜上方点云相交得空间曲线，即为牲畜的背脊轮廓线，利用牲畜体型在X轴方向点云数统计特征结合背脊轮廓线来定位起止点和终止点就是要测量的体长线。


3.根据权利要求2所述的基于三维点云牲畜表型体尺数据的自动测量方法，其特征在于：利用牲畜体型在X轴方向点云数统计特征结合背脊轮廓线来定位起止点，具体如下：
先对上方点云投影到其对应的XOY平面，并统计其X轴点云数目，得到其点云数目分布的离散曲线图；从离散曲线做拟合平滑并在平滑后的曲线上寻找各处拐点，结合牲畜的背脊轮廓线，找出测量体长的起始点位置xs和终止点位置xe。


4.根据权利要求3所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：尹令，钟浩杰，石帅，田绪红，刘财兴，吴珍芳，蔡更元，
申请(专利权)人：华南农业大学，
类型：发明
国别省市：广东;44