一种基于线激光的蜜柚三维建模装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于线激光的蜜柚三维建模装置和方法。本发明专利技术的装置包括激光发射部分、图像采集部分和水平圆形蜜柚平台。方法包括以下步骤：1)蜜柚激光线条的获取，2)蜜柚周向激光线条的世界坐标获取，3)蜜柚顶部激光线条的世界坐标获取，4)蜜柚底部激光线条的获取，5)蜜柚水平等间隔纬线的获取，主要由蜜柚周向激光线条、蜜柚顶部激光线条、蜜柚底部激光线条和蜜柚水平等间隔纬线组成蜜柚的三维模型。本发明专利技术可快速高效地获取蜜柚三维重建模型，应用于与蜜柚形状较为类似水果的三维重建，同时该方法装置较为简便，成本低，能够在实际水果生产分级生产线中进行应用。

【技术实现步骤摘要】
一种基于线激光的蜜柚三维建模装置和方法
本专利技术涉及一种蜜柚图像处理的三维建模方法，尤其是涉及一种基于线激光的蜜柚三维建模装置和方法。
技术介绍
我国是世界上柚种植面积最大的国家，产量居世界第一。对蜜柚进行品质分级有利于提升蜜柚商品化品质，促进蜜柚流通中按质论价、优质优价。蜜柚体积是蜜柚分级的重要依据(黄日升，朱东煌，林锦星，沈虹，李健.琯溪蜜柚果实分级标准研究[J].中国南方果树，2015,44(3):28-34.)，常规的排水法检测蜜柚体积不适用于生产现场，采用机器视觉技术通过三维重建测量体积具有非接触且快速无损等优势，具有重要的实际应用价值。Khojastehnazhand等(2009)(KhojastehnazhandM,OmidM,TabatabaeefarA.Determinationoforangevolumeandsurfaceareausingimageprocessingtechnique.InternationalAgrophysics,2009,23:237–242.)将柑橘视作椭球体，利用积分法来测估柑橘果实体积，SavanDhameliya等(2016)(DhameliyaS,KakadiyaJ,SavantR.VolumeEstimationofMango.InternationalJournalofComputerApplications.2016,143(12),11-16.)以芒果为研究对象也进行了积分法测量体积。Gokul等(2015)(Gokul,PR,RajS,SuriyamoorthiP.Estimationofvolumeandmaturityofsweetlimefruitusingimageprocessingalgorithm.InternationalConferenceonCommunicationsandSignalProcessing(ICCSP),April2-4,2015,1227–1229.)将甜橙视作标准球体，由二维图像处理计算体积。上述方法在利用机器视觉技术求取体积时，均将水果外形简化为标准简单几何体，与实际情况差异较大，无法准确预估体积。许丽佳等(2013)(许丽佳.基于计算机视觉的水果体积测量方法[P].中国专利：CN103307979A，2013.09.18)公开了一种利用水果三视图重建出三维散点图，通过拟合像素数与水果体积的关系来测量同类其他水果体积，但针孔相机原理获取的三视角图像并不是基于垂直投影的几何三视图。应义斌等(应义斌，朱蓓，饶秀勤.用于球状水果无冗余图像信息获取的方法和装置[P].CN103234905A，2013.08.07)利用十字激光标线器对球状水果进行了图像拼接，饶秀勤等(饶秀勤，林文彬，应义斌.一种基于斑点提取与邻近点向量法的水果图像匹配方法[P].中国专利：CN104036492A，2014.09.10)以水果表面斑点为特征匹配点对水果进行了图像拼接，此两种方法能够快速拼接二维图像，但未得到三维信息。近年来，随着三维重建技术以及消费级图像采集设备的发展，有学者利用生成水果全表面点云的方式进行三维重建测量水果尺寸或体积：Yawe等(2020)(Yawei,W,YifeiC.FruitMorphologicalMeasurementBasedonThree-DimensionalReconstruction.Agronomy，2020,10,455)将梨置于旋转台上，利用9张图片得到了梨的三维点云图，并计算了其三维尺寸。但是该方法存在匹配点计算量大，点云数量多等困难，耗时长，不适于生产现场。此外，蜜柚表面较为光滑无明显特征点可用来进行信息匹配。综上可知，现有的水果三维建模方法存在匹配速度低及精度低等问题。
技术实现思路
为了解决
技术介绍
中存在的问题和需求，本专利技术提供了一种基于线激光的蜜柚三维建模装置和方法。本专利技术的技术方案如下：一、一种基于线激光的蜜柚三维建模装置装置包括三个线激光器、水平圆形蜜柚平台、三个周向相机、蜜柚和一个顶部俯视相机；顶部俯视相机安装于水平圆形蜜柚平台的圆心正上方，顶部俯视相机光轴与水平圆形蜜柚平台轴心线同轴；蜜柚放置在水平圆形蜜柚平台圆心上，三个线激光器和三个周向相机在蜜柚周围的水平圆形蜜柚平台上沿圆周间隔交替布置，使得每两个相邻线激光器之间的圆心角中线上布置一个周向相机，且每两个相邻周向相机之间的圆心角中线上布置一个线激光器，三个线激光器所在圆周的直径等于三个周向相机所在圆周的直径的两倍，各个线激光器和周向相机均水平朝向蜜柚，各个线激光器的线激光轴线和各个周向相机的光轴均与水平圆形蜜柚平台轴心线相交。二、应用于蜜柚三维建模装置的一种基于线激光的蜜柚三维建模方法方法包括以下步骤：1)蜜柚激光线条的获取；2)蜜柚周向激光线条的世界坐标获取；3)蜜柚顶部激光线条的世界坐标获取；4)蜜柚底部激光线条的获取；5)蜜柚水平等间隔纬线的获取，主要由蜜柚周向激光线条、蜜柚顶部激光线条、蜜柚底部激光线条和蜜柚水平等间隔纬线组成蜜柚的三维模型。所述步骤1)包括以下步骤：1.1)初始图像的获取：将蜜柚放置在水平圆形蜜柚平台圆心处，三个线激光器同时开启，在蜜柚的表面显示三条激光条纹，顶部俯视相机及三个周向相机同时拍摄含有三条激光条纹的蜜柚，分别获得俯视原图和三张周向原图，俯视原图和三张周向原图作为初始图像；1.2)二值化图像的获取：分别提取俯视原图和三张周向原图的R通道分量图后利用阈值法进行图像分割，分别得到二值化俯视激光条纹图和三张二值化周向激光条纹图，二值化俯视激光条纹图和三张二值化周向激光条纹图作为二值化图像；1.3)激光线条的提取：对获取的二值化俯视激光条纹图和三张二值化周向激光条纹图分别依次进行中值滤波平滑、开运算处理，分别得到俯视激光线条图和三张周向激光线条图。所述步骤2)包括以下步骤：2.1)相机空间坐标系建立：选取一个周向相机，记为相机C；建立相机C的相机空间坐标系，相机空间坐标系的坐标原点为相机C的光心，相机空间坐标系的ZC轴为相机C的光轴指向水平圆形蜜柚平台轴心线的方向，相机空间坐标系的XC轴为垂直于ZC轴且指向沿逆时针方向与相机C相邻的线激光器的方向，XC轴与ZC轴组成的平面平行于水平圆形蜜柚平台，相机空间坐标系的YC轴由左手坐标系确定；2.2)图像坐标系建立：以相机C的成像图像的中心为原点，以平行于相机C的相机空间坐标系的XC轴为x轴，以平行于相机C的相机空间坐标系的YC轴为y轴，建立图像坐标系；2.3)对另外两个周向相机重复步骤2.1)至步骤2.2)，分别建立三个周向相机对应的相机空间坐标系与图像坐标系，然后分别提取三个周向相机各自拍得的周向激光线条图中激光线条上的各点在对应图像坐标系中的坐标，并将坐标作为各自图像坐标系的周向图像坐标；2.4)相机标定：任意选取2个周向相机作为一组双目空间相机，沿逆时针方向，第本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于线激光的蜜柚三维建模装置，其特征在于：包括三个线激光器(1)、水平圆形蜜柚平台(2)、三个周向相机(3)、蜜柚(4)和一个顶部俯视相机(5)；/n顶部俯视相机(5)安装于水平圆形蜜柚平台(2)的圆心正上方，顶部俯视相机(5)光轴与水平圆形蜜柚平台(2)轴心线同轴；蜜柚(4)放置在水平圆形蜜柚平台(2)圆心上，三个线激光器(1)和三个周向相机(3)在蜜柚(4)周围的水平圆形蜜柚平台(2)上沿圆周间隔交替布置，使得每两个相邻线激光器(1)之间的圆心角中线上布置一个周向相机(3)，且每两个相邻周向相机(3)之间的圆心角中线上布置一个线激光器(1)，三个线激光器(1)所在圆周的直径等于三个周向相机(3)所在圆周的直径的两倍，各个线激光器(1)和周向相机(3)均水平朝向蜜柚(4)，各个线激光器(1)的线激光轴线和各个周向相机(3)的光轴均与水平圆形蜜柚平台(2)轴心线相交。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于线激光的蜜柚三维建模装置，其特征在于：包括三个线激光器(1)、水平圆形蜜柚平台(2)、三个周向相机(3)、蜜柚(4)和一个顶部俯视相机(5)；
顶部俯视相机(5)安装于水平圆形蜜柚平台(2)的圆心正上方，顶部俯视相机(5)光轴与水平圆形蜜柚平台(2)轴心线同轴；蜜柚(4)放置在水平圆形蜜柚平台(2)圆心上，三个线激光器(1)和三个周向相机(3)在蜜柚(4)周围的水平圆形蜜柚平台(2)上沿圆周间隔交替布置，使得每两个相邻线激光器(1)之间的圆心角中线上布置一个周向相机(3)，且每两个相邻周向相机(3)之间的圆心角中线上布置一个线激光器(1)，三个线激光器(1)所在圆周的直径等于三个周向相机(3)所在圆周的直径的两倍，各个线激光器(1)和周向相机(3)均水平朝向蜜柚(4)，各个线激光器(1)的线激光轴线和各个周向相机(3)的光轴均与水平圆形蜜柚平台(2)轴心线相交。


2.应用于权利要求1所述的蜜柚三维建模装置的一种基于线激光的蜜柚三维建模方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)蜜柚激光线条的获取；
2)蜜柚周向激光线条(7)的世界坐标获取；
3)蜜柚顶部激光线条(8)的世界坐标获取；
4)蜜柚底部激光线条(6)的获取；
5)蜜柚水平等间隔纬线(9)的获取，主要由蜜柚周向激光线条(7)、蜜柚顶部激光线条(8)、蜜柚底部激光线条(6)和蜜柚水平等间隔纬线(9)组成蜜柚的三维模型。


3.根据权利要求2所述的一种基于线激光的蜜柚三维建模方法，其特征在于：所述步骤1)包括以下步骤：
1.1)初始图像的获取：将蜜柚(4)放置在水平圆形蜜柚平台(2)圆心处，三个线激光器(1)同时开启，在蜜柚(4)的表面显示三条激光条纹，顶部俯视相机(5)及三个周向相机(3)同时拍摄含有三条激光条纹的蜜柚，分别获得俯视原图和三张周向原图，俯视原图和三张周向原图作为初始图像；
1.2)二值化图像的获取：分别提取俯视原图和三张周向原图的R通道分量图后利用阈值法进行图像分割，分别得到二值化俯视激光条纹图和三张二值化周向激光条纹图，二值化俯视激光条纹图和三张二值化周向激光条纹图作为二值化图像；
1.3)激光线条的提取：对获取的二值化俯视激光条纹图和三张二值化周向激光条纹图分别依次进行中值滤波平滑、开运算处理，分别得到俯视激光线条图和三张周向激光线条图。


4.根据权利要求2所述的一种基于线激光的蜜柚三维建模方法，其特征在于：所述步骤2)包括以下步骤：
2.1)相机空间坐标系建立：
选取一个周向相机(3)，记为相机C；建立相机C的相机空间坐标系，相机空间坐标系的坐标原点为相机C的光心，相机空间坐标系的ZC轴为相机C的光轴指向水平圆形蜜柚平台(2)轴心线的方向，相机空间坐标系的XC轴为垂直于ZC轴且指向沿逆时针方向与相机C相邻的线激光器(1)的方向，XC轴与ZC轴组成的平面平行于水平圆形蜜柚平台(2)，相机空间坐标系的YC轴由左手坐标系确定；
2.2)图像坐标系建立：以相机C的成像图像的中心为原点，以平行于相机C的相机空间坐标系的XC轴为x轴，以平行于相机C的相机空间坐标系的YC轴为y轴，建立图像坐标系；
2.3)对另外两个周向相机(3)重复步骤2.1)至步骤2.2)，分别建立三个周向相机(3)对应的相机空间坐标系与图像坐标系，然后分别提取三个周向相机(3)各自拍得的周向激光线条图中激光线条上的各点在对应图像坐标系中的坐标，并将坐标作为各自图像坐标系的周向图像坐标；
2.4)相机标定：任意选取2个周向相机(3)作为一组双目空间相机，沿逆时针方向，第一个周向相机(3)作为左目空间相机CL，第二个周向相机(3)作为右目空间相机CR，利用黑白棋盘格对双目空间相机进行双目标定，分别获取左目空间相机CL的相机空间坐标系与右目空间相机CR的相机空间坐标系之间的旋转矩阵与平移矩阵以及左目空间相机CL和右目空间相机CR自身的内参矩阵；
2.5)重复步骤2.4)进行相机标定，获取另外两组双目空间相机的旋转矩阵与平移矩阵和另外一个周向相机(3)自身的内参矩阵；
2.6)相机空间坐标恢复：选取一个周向相机(3)记为相机C，选取沿逆时针方向与相机C相邻的线激光器(1)，记为激光器L，p(xi，yi)是相机C的图像坐标系上的一个周向图像坐标，P(XCi，YCi，ZCi)是周向图像坐标p(xi，yi)在相机C的相机空间坐标系中的坐标，根据相机C的成像模型及三角测量获得以下公式：









由上述公式恢复出周向图像坐标p(xi，yi)在相机C的相机空间坐标系的坐标P(XCi，YCi，ZCi)为：



其中，r为相机C距离水平圆形蜜柚平台(2)圆心的径向距离，d表示相机C与激光器...

【专利技术属性】
技术研发人员：饶秀勤，林洋洋，朱逸航，应义斌，徐惠荣，沈昊阳，耿金凤，张小敏，张延宁，
申请(专利权)人：浙江大学，浙江大学华南工业技术研究院，
类型：发明
国别省市：浙江;33