基于虚拟双目视觉的玉米叶片三维重建方法

作者:李辉 刊名:《科技通报》 上传者:王旭东

【摘要】提出了一种基于双目立体视觉的玉米叶片三维重建方法。该方法利用两个平行且位置相对固定的摄像机,组成双目立体视觉系统。运用改进的张正友平面标定法进行摄像机标定,采用一种改进的Harris算法,通过快速预筛选和多阈值角点提取方法,对获取的图像采集Harris角点以提取玉米叶片特征,通过计算搜索窗口内对应点的相关系数和阈值的比较实现特征点匹配,依据视差原理,计算得到玉米叶片的三维点云信息,对预处理后的玉米叶片点云进行双三次B样条曲线插值,重构叶片的三维网格曲面。仿真实验表明:所提方法能够高效、准确地实现玉米叶片三维重建,对玉米叶片边缘起伏和褶皱等细节可完整保留,三维重建精度较高。

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0引言虚拟植物是当前数字农业研究和应用蓬勃发展背景下的重要研究专题[1]。作为植物关键的光合作用器官,叶片的三维形态和分布特征对植物冠层的结构和性能有很大的影响[2]。玉米叶片的生长较多地受到水分、光照、温度、土壤环境等外界因素的影响,建模难度较大。因此,研究一种能够高效、准确地获取和重建玉米叶片的三维结构方法具有重要意义,已经成为相关学者研究的重点课题,受到越来越广泛的关注[3-5]。目前常用的玉米叶片三维重建方法主要包括基于数学模型的三维重建方法、基于坐标测量的三维重建方法和基于图像的三维重建方法。相关研究也取得了一定的成果。其中,基于数学模型的方法,文献[6]通过构建玉米叶片结构参数知识模型,模拟了基于生长模型的玉米叶片形态建成过程及三维形态;文献[7]根据玉米叶片形态特征,提出了利用NURBS差值结合采用多直线段分裂算法的逆运算对叶片曲面网格数量进行简化的方法。基于数学模型的建模方法具有快捷简便的优点,但难以描述叶片不规律的形态变化和丰富的结构细节,导致最终结果和实际玉米叶片存在很大差异。文献[8,9]采用三维数字化仪、激光雷达测量玉米叶片的空间坐标,得出玉米叶片叶型及其位置分布规律,实现了玉米叶片三维形态真实感重构;但这种基于坐标测量的方法采用接触式设备需要人工辅助,存在操作复杂的弊端。文献[10]基于立体视觉的原理,实现了一种基于自适应粒子滤波的摄像机位姿计算法和改进SIR算法,基于多幅图像提取三维点云特征进行玉米叶片重建,但通过该方法建立的玉米叶片模型存在精度低、去噪容易造成叶片细节丢失等弊端。针对现有方法的弊端,本文提出一种提出了一种基于双目立体视觉的玉米叶片三维重建方法。该方法利用两个平行且位置相对固定的摄像机,组成双目立体视觉系统。运用张正友平面标定法进行摄像机标定,采用一种有效的Harris算法对获取的图像进行特征提取与匹配,计算得到玉米叶片的三维点云信息,对预处理后的点云信息进行双三次B样条曲线插值,重构叶片的三维网格曲面。经实验验证,所提方法能够有效的恢复玉米叶片的三维信息,实现玉米叶片三维重建。1原理与方法1.1双目立体视觉平台搭建1.1.1双目立体视觉原理双目立体视觉是机器视觉的一种重要形式,基本原理是从两个不同视点观察同一被测物体获取其数字图像,并基于视差原理匹配出像素点,恢复被测物体的三维几何信息。本文采用平行式双目立体视觉,两台完全相同的摄像机平行放置,基线与摄像机的水平轴重合且它们的光轴也平行。图1平行式双目立体成像原理Fig.1Principleofparallelbinocularstereoimaging以左、右两台摄像机的光心Ol和Or为摄像机坐标系的原点,以左边原始彩色图像的坐标为参考坐标系,依据平行双目配准双CCD三角测量原理,左视差图像坐标系为Ol-XlYl,右视差图像坐标系为Or-XrYr。假设两台摄像机同时拍摄到玉米叶片的同一特征点P(x,y,z),同时分别得到了点P的图像,该点在左视差图像上的投影为Pl(Xl,Yl),在右视差图像上的投影为Pr(Xr,Yr)。平行式双目立体视觉模型中,两个摄像机的中心位于同一平面上,即满足Yl=Yr=Y,由透视变换三角几何关系得到:?????Xl=fxzXr=fx-BzYl=Yr=fyz(1)视差可描述为Xl-Xr。由(1)式可计算得到P点在世界坐标系中的三维坐标。?x=BXlXl-Xry=BYXl-Xrz=BfXl-Xr(2)因此,通过双目立体视觉原理,左摄像机像面上的任意一点若可在右摄像机机像面上找到相应的匹配点,即可得到该点的三维坐标,不断重复上述过

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