一种抗重叠的植物点云单叶片分割方法技术

本发明专利技术涉及一种抗重叠的植物点云单叶片分割方法，包括：对植物点云数据进行预处理，即滤除植物点云中存在的检测噪声以及非植物叶片的信息(如茎干，周围背景)；对获得的植物冠层点云进行3D联合滤波过程。将联合滤波算子去除的叶片外缘点云部分进行面片过分割，然后添加回已经分割后的叶片中心点云，以标记后的叶片中心向外进行基于面片的区域生长。生长后的结果即为最终的植物冠层单叶片分割结果。与现有技术相比，本发明专利技术可以对多种成像方式获取的点云进行单个叶片分割，并解决植物点云中因叶片重叠现象而难以进行准确、高效地自动单叶片分割的难题，具有单个叶片分割精准度高、适普性高等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种抗重叠的植物点云单叶片分割方法
本专利技术涉及农业工程、植物表型学、计算机图形学领域，尤其是涉及一种抗叶片重叠的植物点云单叶片分割方法。
技术介绍
植物表型是受基因和环境因素决定或影响的,反映植物结构及组成、植物生长发育过程及结果的全部物理、生理、生化特征和性状。随着植物功能基因组学和作物分子育种研究的深入,传统的表型观测已经成为制约其发展的主要瓶颈,而高通量的植物表型研究是解决这一困境的有效途径。植物表型研究是对植物复杂性状(植物的生长、发育、耐受、抗性、结构、生理、生态、产量等)的综合评价，是对构成复杂性状的基本参数(根系形态、生物量、叶片特性、果实特性、产量相关性状、光合效率、生物和非生物胁迫响应等)的直接测量。对绝大多数植物而言，叶片构成了植物主要的表面形态和结构，能直接反映植物的生长状态。叶片特性(形态、纹理、颜色等)通常蕴含着影响生长的生物压力因素(植物疾病和害虫)或者非生物压力因素(干旱)。因此，自动叶片分割、以及在其基础上的识别、分类方法能够及时提供直接的生长状态监控以保障植物产量。自20世纪90年代初以来，研究人员开始使用本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种抗重叠的植物点云单叶片分割方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤S1：对植物点云数据进行预处理，滤除植物点云数据中存在的检测噪声以及非植物叶片的信息，从而获得植物冠层点云；/n步骤S2：对步骤S1中获得的植物冠层点云进行3D联合滤波算子处理，3D联合滤波算子是由基于空间半径的离群点滤波器和基于曲面边界的滤波器共同组成的，3D联合滤波算子在三维空间中对点云进行2D图像中的腐蚀操作，通过对点云中叶片相互重叠遮挡的部分进行边缘腐蚀，将重叠的叶片分开；/n经过3D联合滤波算子的处理，将植株冠层点云分为两部分，第一部分是所有叶片的叶片中心点云部分，是经过3D联合滤波算子处理后留下的部分；第二部...

【技术特征摘要】
1.一种抗重叠的植物点云单叶片分割方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：对植物点云数据进行预处理，滤除植物点云数据中存在的检测噪声以及非植物叶片的信息，从而获得植物冠层点云；
步骤S2：对步骤S1中获得的植物冠层点云进行3D联合滤波算子处理，3D联合滤波算子是由基于空间半径的离群点滤波器和基于曲面边界的滤波器共同组成的，3D联合滤波算子在三维空间中对点云进行2D图像中的腐蚀操作，通过对点云中叶片相互重叠遮挡的部分进行边缘腐蚀，将重叠的叶片分开；
经过3D联合滤波算子的处理，将植株冠层点云分为两部分，第一部分是所有叶片的叶片中心点云部分，是经过3D联合滤波算子处理后留下的部分；第二部分是所有叶片的叶片外缘点云部分，是经过3D联合滤波算子处理后滤除的部分；
步骤S3：将3D联合滤波算子去除的叶片外缘点云部分进行面片过分割，然后添加回步骤S2已经分割后的叶片中心点云，以标记后的叶片中心向外进行基于面片的区域生长，生长后的结果即为最终的植物冠层单叶片分割结果。


2.如权利要求1所述的一种抗重叠的植物点云单叶片分割方法，其特征在于，在所述步骤S2进行多次3D联合滤波算子的处理，以应对冠层中叶片复杂的重叠情况；
则在所述步骤3中，按照由内向外的顺序对每次滤除的叶片外缘点云部分进行面片过分割和面片区域生长，以达到最佳的效果。


3.如权利要求1所述的一种抗重叠的植物点云单叶片分割方法，其特征在于，所述3D联合滤波算子从下述5种滤波器中选择至少两种滤波器：
滤波器I：基于空间区域的滤波器，可滤除点云在空间坐标系x/y/z轴方向上存在的非叶片信息；
滤波器II：基于半径的离群点滤波器，该滤波器以查询点xq为球心，r为球体的半径，即当球体内的点数超过阈值nthreshold时，xq在新点云中保留；
滤波器III：基于统计的k-邻近点滤波器；
滤波器IV：颜色滤波器，根据RGB通道中G值的所占的比重区分叶片和非叶片信息；
滤波器V：降采样方法，即创建一个三维体素栅格，然后每个体素内用体素中所有点的重心来近似，从而降低点云复杂度。


4.如权利要求1所述的一种抗重叠的植物点云单叶片分割方法，其特征在于，所述步骤S2中对获得的植物冠层点云进行3D联合滤波过程，3D联合滤波算子由基于空间半径的离群点滤波器和曲面边界滤波器级联而成，包括以下步骤：
步骤S2-1：采用半径滤波器对点云进行滤波，其原理是以点云中任一点xq为球心，r为球体的半径，即当球体内的点数超过nthreshold时，xq在新点云中保留，半径滤波器适合于剔除稀疏离群点和边界点，用于分离交叉重叠的叶片区域；
步骤S2-2：采用边界滤波器对点云进行滤波，其原理是通过PCA提取曲面边缘点，实现对曲面边缘点进行遍历，达到类似边缘腐蚀算子的效果；
步骤S2-3：若由双目立体视觉系统和Kinect传感器获取的植物点云，仅需要一次3D联合滤波，即执行一次步骤S2-1及步骤S2-2；若由多视角成像方式获取的点云，则需要3～4次联合滤波，即重复步骤S2-1及步骤S2-2三至四次。


5.如权利要求1所述的一种抗重叠的植物点云单叶片分割方法，其特征在于，所述步骤S2-2中采用边界滤波器对点云进行滤波过程：
步骤S2-2-1：找出点云中查询点xi周围最近的k个点，建立点集
步骤S2-2-2：通过PCA估计点集的法向量n，以及点集的另外两个成分向量u、v，n⊥u⊥v；
步骤S2-2-3：查询点xi与点集中的点xj构成向量xj-xi，该向量在u、v组成的法平面上的投影向量表示为...

【专利技术属性】
技术研发人员：李大威，曹燕，
申请(专利权)人：东华大学，
类型：发明
国别省市：上海;31