CN101673413A - 基于表面数据的植物枝体三维形态建模系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于表面数据的植物枝体三维形态建模方法，其包括如下步骤：A、获取植物枝体的三维数据；B、处理所述三维数据，获得后续处理表征枝体的三维坐标信息；C、针对植物枝体表面的柱体特征，利用微积分，将枝体划分为若干枝段，提取每一枝段的中心轴后，连接所有中心轴构成整个枝体的骨架线，其中，在提取中心轴的同时保存枝体的半径信息和方向信息；D、根据枝体骨架线以及相应枝体的半径信息和方向信息，重新构造出枝体的表面简化数据，得到枝体的三维模型。另外，本发明还公开一种基于表面数据的植物枝体三维形态建模系统。本发明能快速有效地重建植物枝体的三维模型。

Description

基于表面数据的植物枝体三维形态建模系统及方法

技术领域

本发明是涉及植物枝体三维形态建模，特别是涉及基于表面数据的植物枝体三维形态建模系统及方法。

背景技术

植物根系三维构型的定量描述和分析是研究植物根系生长及对养分吸收利用等营养功能的重要手段之一。

根系不仅是植物吸收养分和水分的主要器官，也起着支撑地上部的重要作用。植物根构型是指根系在生长介质中的空间分布，不同的根构型显著影响养分水分的吸收利用、碳源分配及适应环境胁迫能力等重要生理功能，甚至影响某些豆科植物根系的抗病虫害能力，因此近年来根构型研究越来越受人们重视，但是由于根系细小且结构复杂，易振动且发生形态改变，难于进行原位观察和精确测量。因此，根系生长的形态定量测定一直是世界上根系生物学研究中的难点之一，目前国内外对根构型的定量化研究的报道甚少。有人通过纸培等特殊栽培系统结合计算机图像分析技术定量研究植物的二维根构，但是纸培系统下获取的二维根构型与植物在自然条件下三维根构型之间存在一定的差异，不能准确代表植物根系在土壤中的实际空间分布，因此非常有必要对植物的三维根构型进行定量化研究。三维根构型定量化研究的主要困难是因为根系在土壤等生长介质中的隐蔽性造成了难以观察根构型，且根系的复杂性和重叠性造成测量精度的限制。目前，获取三维根构型图像的主要方法有核磁共振成像(MRI)、X射线断层扫描技术(CT)和地下雷达监测(GPR)等。

但是，上述的方法存在设备复杂、重建速度低、及由于根系遮挡和交错问题等引起的重建精度不高等不足之处。

发明内容

针对现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种基于表面数据的植物枝体三维形态建模系统及方法，能快速有效地重建植物枝体的三维模型。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：一种基于表面数据的植物枝体三维形态建模方法，包括如下步骤：

A、利用三维激光扫描仪、三维数字化仪或数字摄像机获取植物枝体表面的三维数据；

B、处理所述三维数据，获得表征枝体形态的枝体表面点的三维坐标信息，形成植物枝体表面的柱体特征；

C、针对植物枝体表面的柱体特征，利用微积分，将枝体划分为若干枝段，提取每一枝段的中心轴后，连接所有中心轴构成整个枝体的骨架线，其中，在提取中心轴的同时保存枝体的半径信息和方向信息；

D、根据枝体骨架线以及相应枝体的半径信息和方向信息，重新构造出枝体的表面简化数据点，得到枝体的三维模型。

所述步骤C具体为：

C1、划分枝体为若干枝段，划分的依据为划分后的枝段保持枝段表面的柱体特征；

C2、选择位于柱体内部的中心轴作为候选枝段中心轴；

C3、根据枝段表面数据点到中心轴距离公式，计算枝段表面数据点到候选枝段中心轴的距离，将距离在某一范围内的认为是具有相同半径，把具有相同中心轴和相同半径当作是同一种票，按此种规则对候选枝段中心轴进行投票计数；

C4、比较票数，票数最多的候选枝段中心轴即为枝段中心轴。

所述步骤D具体为：

D1、根据枝体骨架线及对应的半径信息和方向信息，按照顺时针或逆时针方向，重新生成枝体的表面简化数据点；

D2、根据所述表面简化数据点，将相邻的每三个数据点构造成一个三角网格，完成表面数据点的网格化；

D3、根据两圆柱面交线方程，生成两枝体交接处的数据点并网格化，实现两枝体交接处的过渡。

步骤D3中，具体交线方程为：

$x=\frac{\sqrt{a^2{b}^2{\cos }^2\mathrm{\γ}-a^2{(r\cos \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\γ}-r\sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\β})}^2}+\mathrm{br}\sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\α}}{b\cos \mathrm{\γ}}$

y＝rcosθ

z＝rsinθ

$\mathrm{\θ}=\frac{2\mathrm{n\π}}{N}(n=\mathrm{1,2},\·\·\·,N)$

其中，r是第一圆柱准线的半径，a、b是第二圆柱的长、短半轴，(cosα，cosβ，cosγ)是第二圆柱与母线方向相同的单位向量，θ是参数。

本发明还提供了一种基于表面数据的植物枝体三维形态建模系统，其包括：

获取装置，用于扫描获取植物枝体的三维数据；

数据处理装置，用于对所扫描的三维数据进行处理，获得后续处理表征枝体的三维坐标信息；

划分装置，用于划分枝体为若干枝段，划分的依据为划分后的枝段保持枝段表面的柱体特征；

三维模型重建装置，提取枝体的骨架线，同时保存枝体的半径信息和方向信息，并基于此重新构造出枝体的表面简化数据，得到枝体的三维模型。

所述三维模型重建装置包括：

选择装置，用于选择位于柱体内部的中心轴作为候选枝段中心轴；

投票装置，用于根据枝段表面数据点到中心轴距离公式，计算枝段表面数据点到候选枝段中心轴的距离，将距离在某一范围内的认为是具有相同半径，把具有相同中心轴和相同半径当作是同一种票，按此种规则对候选枝段中心轴进行投票计数；

比较装置，用于比较票数，票数最多的候选中心轴即为枝段中心轴。

所述三维模型重建装置还包括：

生成装置，用于根据枝体骨架线及对应的半径信息和方向信息，按照顺时针或逆时针方向，重新生成枝体的表面简化数据；

网格化装置，用于根据所述表面数据点，将相邻每三个数据点构造成一个三角网格，完成表面数据点的网格化；

添加装置，用于根据两圆柱面交线方程，生成两枝体交接处的数据点并网格化，实现两枝体交接处的过渡。

一种基于表面数据的植物枝体三维形态建模系统，包括：

三维数据获取设备，及驱动所述设备的驱动装置；

放置在所述设备中部的被测植物枝体；

计算机，用于对所述设备获得的数据进行处理，获得后续处理表征枝体的的柱体特征；针对植物枝体表面的柱体特征，利用微积分，将枝体划分为若干枝段，提取每一枝段的中心轴后，连接所有中心轴构成整个枝体的骨架线，其中，在提取中心轴的同时保存枝体的半径信息和方向信息并提取枝体的骨架线；根据枝体骨架线以及相应枝体的半径信息和方向信息，重新构造出枝体的表面简化数据点，得到枝体的三维模型。

进一步包括：对所述三维数据获取设备进行控制，设置设备获取数据方式、精确程度的控制软件；及对获得的数据进行进一步处理，去除噪声点、冗余点，去除错误网格的处理软件。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

通过利用根系栽培系统和三维数据获取设备平台，通过如数字化仪般的设备扫描物体获得三维坐标信息，并根据植物枝体基本结构特征，创建了适合植物枝体等线状物体三维数据的快速建模算法，有效地实现了植物枝体建模。可实现植物枝体三维构型的定量描述和分析，从而为研究植物生长及其营养功能提供新的手段。

另外，本发明具有速度快、精度高、鲁棒性良好和效果逼真等优点，为根系生物学、植物营养学和植物生理学以及植物生长的计算即仿真学研究和应用提供了一种崭新的数字化和建模方法。

附图说明

图1是本发明基于表面数据的植物枝体三维形态建模系统优选实施例的结构示意图；

图2是图1中个人计算机中功能模块示意图；

图3是本发明基于表面数据的植物枝体三维形态建模方法的优选实施例的流程示意图；

图4是本发明基于表面数据的植物枝体三维形态建模方法的骨架提取算法图示；

图5是利用本发明系统所重建的植物枝体三维模型的平面投影图。

具体实施方式

本发明能够在基于植物枝体表面数据的条件下，对枝体的三维形态模型进行快速重建。下面结合附图，对本发明的优选实施例进行说明。

如图1所示，是本发明基于表面数据的植物枝体三维形态建模系统优选实施例的结构示意图。其包括：

三维数据获取设备2，如三维激光扫描仪，及驱动所述设备2转动的驱动装置1；

放置在所述设备2中部的被测植物根系，所述植物根系最好设置在透明的栽培容器中；

计算机3，用于对所述设备获得的数据进行处理，获得有利于后续处理表征枝体的三维坐标信息；并提取枝体的骨架线，同时保存枝体的半径信息和方向信息，在此基础上重新构造出枝体的表面简化数据，得到枝体的三维模型。所述计算机可以是台式机或笔记本电脑。

如图2所示，是图1中个人计算机中功能模块示意图。包括：

数据处理装置30，用于对所获得的数据进行处理，获得有利于后续处理表征枝体的三维坐标信息，例如，将所获得的三维数据去除噪声点，去除冗余点，以及去除错误网格，并保存为包含有简单三角网格信息和三维坐标信息的数据格式，利于后续处理；

划分装置31，用于划分枝体为若干枝段，划分的依据为划分后的枝段保持枝段表面的柱体特征；

选择装置32，用于选择各枝段符合条件的候选枝段中心轴，选择的依据为候选中心轴在柱体内部；

投票装置33，用于根据表面数据点到中心轴距离公式，计算枝段表面数据点到候选中心轴的距离，将距离按某种误差标准进行分类，即半径在某一范围内的认为是具有相同半径，把具有相同中心轴和相同半径当作是同一种票，按此种规则对候选枝段中心轴进行投票计数；

比较装置34，用于比较票数，票数最多的候选中心轴即为枝段中心轴；

生成装置35，用于根据枝体骨架点及对应的半径信息和方向信息，按照顺时针或逆时针方向，重新生成枝体的表面简化数据；

网格化装置36，用于根据所述表面数据点，将相邻了每三个数据点构造成一个三角网格，完成数据点的网格化；

添加装置37，用于根据两圆柱面交线方程，生成两枝体交接处的数据点并网格化，实现两枝体交接处的过渡。

如图3所示，是本发明基于表面数据的植物枝体三维形态建模方法的优选实施例的流程示意图。

步骤S30：获取植物枝体的数据：

先设置好三维数据获取设备获取数据的方式和获取精度，然后启动三维数据获取设备获取植物枝体三维数据。

步骤S31，数据处理：

然后对所获得的数据进行处理，将所获得的三维数据去除噪声点，去除冗余点，以及去除错误网格，并保存为包含有简单三角网格信息和三维坐标信息的数据格式，以利于后续处理。

步骤S32，三维枝体模型计算及生成：

S320、用两平行的平面截取枝体表面数据，截取的依据为截取后的枝段保持枝段表面的柱体特征，截取的方法为位于这两平面之间的表面数据即为所求数据，平面横截枝体，两平面之间的距离保证截取后的枝体为一柱体；

S321、选择符合条件的候选枝段中心轴，选择的依据为候选中心轴在柱体内部，选择的办法为分别选取所述两横截面上的点，连接两点为一候选中心轴；

S322、根据表面数据点到候选中心轴距离公式(1)，计算枝段表面上每个数据点到每一候选中心轴的距离，对候选枝段中心轴进行投票计数，把与同一候选中心轴具有同样距离的数据点归为同一类；

$r_w=\frac{\left|\right|\begin{array}{ccc}\stackrel{\→}{i}& \stackrel{\→}{j}& \stackrel{\→}{k}\\ p& q& r\\ x-x_i& y-y_i& z-z_i\end{array}\left|\right|}{\sqrt{p^2+q^2+r^2}}---\left(1\right)$

其中，(x_i，y_i，z_i)为表面数据点的坐标，(p，q，r)为候选中心轴的三个方向数，

为三个坐标轴上的单位矢量，里层的符号“||”表示一个行列式，外层的符号“||”表示矢量的模。

S323、比较票数，票数最多的候选中心轴即为枝段中心轴。与同一候选中心轴具有同样距离的数据点被视为为同一类数据点，则柱体的中心轴得到的票数最多，通过计算票数选择票数最多的候选中心轴即为枝段中心轴，连接所有枝段中心轴得到植物枝体骨架；

S324、根据枝体骨架点及对应的半径信息和方向信息，按照顺时针或逆时针方向，重新生成枝体的表面数据。例如，可以按照顺时针方向，在平面xoy上以原点为圆心，以一骨架点半径为半径，以x正半轴上的点为起始点平均采样6个数据点，再通过旋转平移等几何变换把采样点变换到对应骨架点形成枝体表面数据；

S325、根据所述表面数据点，将相邻了每三个数据点构造成一个三角网格，完成数据点的网格化；

S326、根据两圆柱面交线方程(2)，生成两枝体交接处的数据点并网格化，实现两枝体交接处的过渡。

$x=\frac{\sqrt{a^2{b}^2{\cos }^2\mathrm{\γ}-a^2{(r\cos \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\γ}-r\sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\β})}^2}+\mathrm{br}\sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\α}}{b\cos \mathrm{\γ}}$

y＝rcosθ    (2)

z＝rsinθ

$\mathrm{\θ}=\frac{2\mathrm{n\π}}{N}(n=\mathrm{1,2},\·\·\·,N)$

其中，r是圆柱1准线的半径，a、b是圆柱2的长、短半轴，(cosα，cosβ，cosγ)是圆柱2与母线方向相同的单位向量，θ是参数。

利用本发明提供的系统及方法，对于重建根等线状物体效果良好，不仅视觉效果非常逼真、有较高的精度。比如在距离方面，三维数据获取设备如三维激光扫描仪扫描精度可以达到0.1mm，而在可靠性方面，此方法对于图像中的噪声不敏感，利用它得到的结果可以有效地滤除噪声的影响，在变形、甚至部分区域丢失的状态下仍然能取得理想的结果。

另外，三维模型重建主要计算包括：1)表面数据截取装置，判断各数据点是否在两平面之间的比较运算；2)投票装置，各票的“自加”运算；3)生成装置，植物枝体表面数据点生成涉及矩阵与向量的乘法运算。这三种计算简单所以速度快。另外该方法在提取骨架点时，采取了由前一骨架点探测后一骨架点，几何变换等方法，使得Hough变换算法的循环变量由8个减少为2个，且每个循环变量的长度只为5，从而只有25个候选点，降低了搜索空间，避免了基本Hough变换算法要求占用较大存储空间和较长计算时间的问题，使该方法具有了实时性。

如图4所示，是本发明基于表面数据的植物枝体三维形态建模方法的骨架提取算法图示。

具体描述如下：首先由前一柱轴P_i-1P_i求点P_i+1 ⁰；然后构造枝段表面数据点集E；接着在平面M_i+1上取以P_i+1 ⁰为圆心的N邻域的各点P_i+1 ^k为候选点，k＝0，1，…，24；由空间点到直线的距离公式计算点e_j∈E到P_iP_i+1 ^k的距离r_w，对参数空间(r_w，P_i+1 ^k)进行投票；最后计票，最优选择(r，P_i+1)。

如图5所示，是利用本发明系统所重建的植物枝体三维模型的平行投影图。其中，三维数据采集采取的数据获取精度为0.3mm，采集的数据点数量大约10万个左右，骨架线提取算法提取骨架点数量大约1千个左右，提取时间在20秒左右。

本发明提供的基于表面数据的植物枝体三维形态建模系统及方法。它具有速度快、精度高、鲁棒性良好和效果逼真等优点，为根系生物学、植物营养学和植物生理学以及植物生长的计算即仿真学研究和应用提供了一种崭新的数字化和建模方法，有望开发商业产品批量生产，广泛应用于大量样品测定、大规模的性状筛选和连续动态跟踪观察等日常实验中。

在实际应用中，在重建获得植物枝体的精确或原位的三维模型后，该植物枝体实体上每一象素(点)的坐标便建立确定了，藉之可以很容易地获得根构型的各种形状参数(如主根长、总根长、基根角度、根宽深比及根长在介质不同层次的分布率等)。以此为基础可以定量分析作物根系形态构型参数与作物对各种土壤层次的养分和水分吸收效率的关系。从而为植物营养学研究和作物遗传育种专家提供精确可靠的数量依据。

另外，还可以藉之建立植物生长的真实感动画模型。在对植物生长跟踪建模中，首先利用本发明技术的系统跟踪获得植物外形器官的实体模型，其中，设计算法自动计算建模中所需要的各种关键数据，如骨架曲线的型值点(坐标)、柱体半径、开叉点、表面纹理等，有了这些简单又明了的数据，刻画物体外观特征的真实感图形就可建立出来，从而利用有关动画连接技术将各个时间段模型连接起来，便得到连续生长的动画模型。在植物生长建模在植物学和计算机图形学中都有重要的应用。

Claims (10)

1、一种基于表面数据的植物枝体三维形态建模方法，其特征在于，包括如下步骤：

A、利用三维激光扫描仪、三维数字化仪或数字摄像机获取植物枝体表面的三维数据；

B、处理所述三维数据，获得表征枝体形态的枝体表面点的三维坐标信息，形成植物枝体表面的柱体特征；

C、针对植物枝体表面的柱体特征，利用微积分，将枝体划分为若干枝段，提取每一枝段的中心轴后，连接所有中心轴构成整个枝体的骨架线，其中，在提取中心轴的同时保存枝体的半径信息和方向信息；

D、根据枝体骨架线以及相应枝体的半径信息和方向信息，重新构造出枝体的表面简化数据点，得到枝体的三维模型。

2、如权利要求1所述的基于表面数据的植物枝体三维形态建模方法，其特征在于，所述步骤C具体为：

C1、划分枝体为若干枝段，划分的依据为划分后的枝段保持枝段表面的柱体特征；

C2、选择位于柱体内部的中心轴作为候选枝段中心轴；

C3、根据枝段表面数据点到中心轴距离公式，计算枝段表面数据点到候选枝段中心轴的距离，将距离在某一范围内的认为是具有相同半径，把具有相同中心轴和相同半径当作是同一种票，按此种规则对候选枝段中心轴进行投票计数；

C4、比较票数，票数最多的候选枝段中心轴即为枝段中心轴。

3、如权利要求1所述的基于表面数据的植物枝体三维形态建模方法，其特征在于，所述步骤D具体为：

D1、根据枝体骨架线及对应的半径信息和方向信息，按照顺时针或逆时针方向，重新生成枝体的表面简化数据点；

D2、根据所述表面简化数据点，将相邻的每三个数据点构造成一个三角网格，完成表面数据点的网格化；

D3、根据两圆柱面交线方程，生成两枝体交接处的数据点并网格化，实现两枝体交接处的过渡。

4、如权利要求3所述的基于表面数据的植物枝体三维形态建模方法，其特征在于，步骤D3中，具体交线方程为：

$x=\frac{\sqrt{a^2{b}^2{\cos }^2\mathrm{\γ}-a^2{(r\cos \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\γ}-r\sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\β})}^2}+\mathrm{br}\sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\α}}{b\cos \mathrm{\γ}}$

y＝rcosθ

z＝rsinθ

$\mathrm{\θ}=\frac{2\mathrm{n\π}}{N}(n=\mathrm{1,2},...,N)$

其中，r是第一圆柱准线的半径，a、b是第二圆柱的长、短半轴，(cosα，cosβ，cosγ)是第二圆柱与母线方向相同的单位向量，θ是参数。

5、一种基于表面数据的植物枝体三维形态建模系统，其特征在于，包括：

获取装置，用于扫描获取植物枝体表面点的三维数据；

数据处理装置，用于对所扫描的三维数据进行处理，获得表征枝体形态的枝体表面点的三维坐标信息；

划分装置，用于划分枝体为若干枝段，划分的依据为划分后的枝段保持枝段表面的柱体特征；

三维模型重建装置，提取枝体的骨架线，同时保存枝体的半径信息和方向信息，并基于此重新构造出枝体的表面简化数据，得到枝体的三维模型。

6、如权利要求5所述的基于表面数据的植物枝体三维形态建模系统，其特征在于，所述三维模型重建装置包括：

选择装置，用于选择位于柱体内部的中心轴作为候选枝段中心轴；

投票装置，用于根据枝段表面数据点到中心轴距离公式，计算枝段表面数据点到候选枝段中心轴的距离，将距离在某一范围内的认为是具有相同半径，把具有相同中心轴和相同半径当作是同一种票，按此种规则对候选枝段中心轴进行投票计数；

比较装置，用于比较票数，票数最多的候选中心轴即为枝段中心轴。

7、如权利要求6所述的基于表面数据的植物枝体三维形态建模系统，其特征在于，所述三维模型重建装置还包括：

生成装置，用于根据枝体骨架线及对应的半径信息和方向信息，按照顺时针或逆时针方向，重新生成枝体的表面简化数据；

网格化装置，用于根据所述表面数据点，将相邻每三个数据点构造成一个三角网格，完成表面数据点的网格化；

添加装置，用于根据两圆柱面交线方程，生成两枝体交接处的数据点并网格化，实现两枝体交接处的过渡。

8、一种基于表面数据的植物枝体三维形态建模系统，其特征在于，包括：

三维数据获取设备，及驱动所述设备的驱动装置；

放置在所述设备中部的被测植物枝体；

计算机，用于对所述设备获得的数据进行处理，获得后续处理表征枝体的的柱体特征；针对植物枝体表面的柱体特征，利用微积分，将枝体划分为若干枝段，提取每一枝段的中心轴后，连接所有中心轴构成整个枝体的骨架线，其中，在提取中心轴的同时保存枝体的半径信息和方向信息并提取枝体的骨架线；根据枝体骨架线以及相应枝体的半径信息和方向信息，重新构造出枝体的表面简化数据点，得到枝体的三维模型。

9、如权利要求8所述的基于表面数据的植物枝体三维形态建模系统，其特征在于，进一步包括：

对所述三维数据获取设备进行控制，设置设备获取数据方式、精确程度的控制软件；及

对获得的数据进行进一步处理，去除噪声点、冗余点，去除错误网格的处理软件。

10、如权利要求9所述的基于表面数据的植物枝体三维形态建模系统，其特征在于，所述计算机包括：

划分装置，用于划分枝体为若干枝段，划分的依据为划分后的枝段保持枝段表面的柱体特征；

选择装置，用于选择各枝段符合条件的候选枝段中心轴，选择的依据为候选中心轴在柱体内部；

投票装置，用于根据表面数据点到中心轴距离公式，计算枝段表面数据点到候选中心轴的距离，将距离按某种误差标准进行分类，即半径在某一范围内的认为是具有相同半径，按某种规则对候选枝段中心轴进行投票计数；

比较装置，用于比较票数，票数最多的候选中心轴即为枝段中心轴；

生成装置，用于根据枝体骨架点及对应的半径信息和方向信息，按照顺时针或逆时针方向，重新生成枝体的表面简化数据；

网格化装置，用于根据所述表面数据点，将相邻了每三个数据点构造成一个三角网格，完成数据点的网格化；

添加装置，用于根据两圆柱面交线方程，生成两枝体交接处的数据点并网格化，实现两枝体交接处的过渡。

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