CN102184564A - 基于双尺度三维数字化数据的设施园艺植物三维重建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双尺度三维数字化数据的设施园艺植物三维重建方法，属于计算机图形技术领域，包括以下步骤：S1、获取设施园艺植物主茎和叶柄的形态特征信息；S2、利用所述形态特征信息重建所述设施园艺植物主茎和叶柄的三维网格模型；S3、对步骤S1选取的设施园艺植物的植株上的每个叶片，利用三维扫描仪获取叶片的三维点云数据；S4、对步骤S3获取的每个叶片的三维点云数据，生成每个叶片的三维网格曲面模型；S5、利用步骤S2、S4所建立的模型重建所述设施园艺植物的整体形态结构三维模型。本发明的方法简便、快速、精确。

Description

基于双尺度三维数字化数据的设施园艺植物三维重建方法

技术领域

本发明涉及计算机图形技术领域，尤其涉及一种基于双尺度三维数字化数据的设施园艺植物三维重建方法。

背景技术

通过三维模型和虚拟可视的方式对植物的形态结构及其功能特性进行定量分析已逐渐成为农业科研的一个重要手段。近年来，随着株型设计、育种等农学研究对三维植物细节和精度要求的不断提高，如何快速建立高精度的三维植物模型成为一个重要的问题。

为建立园艺植物的三维形态结构，部分研究者提出了基于形态特征参数的三维植物建模方法，可参考文献[赵春江2008](赵春江，陆声链，郭新宇，李长锋，杨月英等，西瓜三维形态建模和真实感绘制技术研究.中国农业科学.2008，41(12)：4155-4163)。这种方法首先通过获取植物器官和植株上的形态特征参数，基于这些参数建立植物主要器官的参数化几何模型，基于各个器官的几何模型，结合植物的拓扑结构特性，通过某种随机方法或交互式设计方法组合各个器官形成植物整体结构的三维造型。这种方法能够较快实现植物形态结构的三维重建，且能够较容易地生成各种造型的植物形态，但所生成的三维植物模型的精度不高，与真实植物的形态结构也存在较大的差距。

部分研究者采用三维数字化仪采集植物的空间形态信息，如器官的着生位置、方位角、倾角、长度、宽度、半径等，并基于这些信息重建植物形态结构的三维模型，可参考文献[郭炎1998](郭焱，李保国.玉米冠层三维结构研究.作物学报，1998，24(6)：1006-1009.)。具体地，这种方法通过采集得到的植物枝条的起始点和末端信息，建立植物主要枝干的骨架结构，并结合各枝条的半径信息生成枝干的三维模型；而植物叶片、果实等器官的三维形态可以通过从这些器官上采集得到的形态参数，结合参数曲面技术进行重建；最后将叶子和果实器官的三维形态放置到枝干三维模型上，即可实现植物形态的三维重建。由于三维数字化仪具有精度高、重量轻、移动灵活、操作简单等优点，因此十分适合用来进行单株作物和小型园艺植物的形态信息采集。

也有研究者利用三维激光扫描仪获得植物表面的空间数据点(一般称为点云数据)，然后从这些点云数据上重构植物的三维模型，可参考文献[Xu 2007](Xu K，Gossett N，Chen B.Knowledge andheuristic-based modeling of laser-scanned trees.ACM Transaction onGraphics 2007，26(4)：19：2-13)。这种方法的处理流程通常如下：首先从点云数据中提取植物主要枝干的骨架结构和枝条的半径信息，然后生成枝干的三维网格模型，然后结合植物的分枝特性和叶子分布特征，或者应用某种随机规则，在枝干的三维网格模型上加上从点云数据中难以恢复的细枝和叶子。目前这种方法主要应用于树木的三维重建。

基于形态特征参数的三维植物建模方法采用了先建立植物主要器官的参数化几何模型，再组合这些器官几何模型重建植物的整体三维模型，由于植物器官具有极为复杂的外形轮廓，通过少数几个参数描述的几何模型很难重建与真实器官表面形态十分贴近的三维模型，同时在组合器官几何模型的过程中，方向、角度、大小等的偏差，最终所建立的三维植物模型的精度不高，与真实植物的形态结构存在较大的差距。

而在如文献[郭炎1998]描述的基于三维数字化仪的植物形态重建方法中，由于三维数字化仪每次仅能够获取一个空间点，基于这些植物器官表面少量特征点重建的三维模型的精度受到影响，特别是对具有较为明显的卷曲、褶皱等形态特征的叶子、果实等器官，其空间形态难以仅仅通过少量几个空间特征点进行重建。因此目前这种方法重建的植物三维模型中，冠层叶子的曲面网格的准确性和精度都有待提高。

对于基于三维激光扫描点云数据的植物三维重建方法，该方法存在的主要问题是：由于植物冠层枝叶较多，细枝和叶子往往难以直接从扫描数据中重建，所以这种方法都是通过应用某种随机规则或植物形态学知识生成细枝和叶子，从而实现视觉上“真实”的重建，但这样重建得到的三维植物冠层结构与真实植物还存在较大的差别，特别是叶子的密度、空间朝向、叶面积等都可能与实际存在较大的误差，难以应用于进行冠层光分布特性、株型特征等的研究和分析。此外，这种方法通常需要使用大型激光扫描仪进行点云数据获取，由于这种三维扫描仪体积较大，难以在温室、大棚等设施环境下使用。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何提供一种基于双尺度测量数据的设施园艺植物形态结构三维重建方法，以提高重建模型的准确性和精度。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于双尺度三维数字化数据的设施园艺植物三维重建方法，包括以下步骤：

S1、获取设施园艺植物主茎和叶柄的形态特征信息；

S2、利用所述形态特征信息重建所述设施园艺植物的主茎和叶柄三维网格模型；

S3、对步骤S1选取的设施园艺植物的植株上的每个叶片，利用三维扫描仪获取叶片的三维点云数据；

S4、对步骤S3获取的每个叶片的三维点云数据，生成每个叶片的三维网格曲面模型；

S5、利用步骤S2、S4所建立的模型重建所述设施园艺植物的整体形态结构三维模型。

其中，所述设施园艺植物以节间为单位。

其中，步骤S1具体为：利用三维数字化仪获取植物主茎和叶柄的形态特征信息：对于主茎，沿根部至植物顶端方向顺序获取每个节间的特征点，在每个节间选取两个特征点为一组；对于叶柄，每个叶柄选取三个特征点为一组。

其中，步骤S2具体为：先将所获取的所有主茎上的特征点作为控制点，用B样条曲线表示主茎的骨架；然后将所获取的每组叶柄的特征点作为控制点，用B样条曲线表示每条叶柄的骨架；将以上利用B样条曲线表示的主茎骨架和叶柄骨架建立植物主茎和叶柄的骨架结构；对该骨架结构，采用预设的方法生成每条B样条曲线的三维网格曲面，从而重建得到植物主茎和叶柄的三维网格模型。

其中，步骤S4中：采用Delaunay三角剖分法生成叶片的三维网格曲面模型。

其中，步骤S5具体为：将步骤S4建立的每个叶片的三维曲面网格模型放置到由步骤S2重建得到的植物主茎和叶柄三维网格模型对应的叶柄顶端，同时根据该叶柄的方向调整所放置的叶片的三维曲面网格模型的方向，从而完成设施园艺植物整体形态结构三维模型的重建。

(三)有益效果

本发明针对以节间为单位的设施园艺植物，在进行植物形态信息采集时，通过三维数字化仪获取主茎上每个节间和叶柄的主轴形态特征点，根据这些特征点能够确定整株植物的空间姿态；同时利用高精度三维扫描仪获取每个叶片的点云数据，重建叶片的精细三维曲面模型，避免仅利用叶子的少量形态特征点进行重建而导致的冠层叶子模型精度不高的问题。两者结合起来，使重建的园艺植物三维模型具有更高的准确性和精度。

附图说明

图1是本发明的方法流程图

图2是植物主茎和叶柄形态特征点示意图；

图3是获取的植株主茎和叶柄形态特征数据示意图；

图4是植物主茎和叶柄三维网格模型图；

图5是重建得到的西瓜植株三维模型图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明针对重建精度和准确度高的园艺植物三维模型，以及在温室和大棚等设施环境下进行原位、无损测量的实际需求，结合设施园艺植物的形态结构特点，实现一种基于双尺度测量数据的设施园艺植物形态结构三维重建方法，以提高重建模型的准确性和精度。

如图1所示，本发明包括以下五个步骤：

S1)获取植物主茎和叶柄的形态特征信息：针对西瓜、黄瓜、甜瓜等以节间为单位的设施园艺植物，在温室或大棚选取开花或结果期的植物一株进行数据获取。方法如下：利用三维数字化仪获取植物主茎和叶柄的形态特征信息：对于主茎，沿根部至植物顶端方向顺序获取每个节间的特征点，在每个节间选取两个特征点(见图2，图2中三个主茎特征点表示的是相邻的两个节间的特征点，上下两个节间共用了中间那个特征点(重合的点))；对于叶柄，每个叶柄选取三个特征点(见图2)。同时用游标卡测量每个节间和叶柄中间部位的半径。图3为获取的一株西瓜植株主茎和叶柄形态特征信息，其中小方块表示的点为主茎特征点，小圆圈表示的点为叶柄特征点。

S2)重建植物主茎和叶柄的三维网格模型。对步骤S1获取的主茎和叶柄形态征信息，先将所有主茎上的特征点作为控制点，采用一条B样条曲线表示主茎骨架，然后将所获取的每组叶柄的特征点(三个)作为控制点，用B样条曲线表示每条叶柄的骨架，将利用B样条曲线表示的主茎骨架和叶柄骨架组合建立植物主茎和叶柄的骨架结构。对该骨架结构，对每条B样条曲线可以采用[赵春江，陆声链，郭新宇，李长锋，杨月英，西瓜三维形态建模和真实感绘制技术研究.中国农业科学.2008，41(12)：4155-4163]中描述的生成叶柄的网格曲面的方法(这个方法也可以用来生成主茎的网格曲面)，生成每条B样条曲线的三维网格曲面(也可以采用现有技术中的其它方法)，这样即可重建植物主茎和叶柄的三维网格模型(图4)。

S3)获取叶片三维点云数据：对步骤S1选取的植物，对该植株上的每个叶片，利用三维扫描仪获取叶片的三维点云数据。

S4)重建叶片曲面网格模型：对步骤S3获取的每个叶片的三维点云数据，采用Delaunay三角剖分法生成叶片的三维网格曲面模型。

S5)重建园艺植物的整体形态结构三维模型。将步骤S4建立的每个叶片的三维曲面网格模型放置到由步骤S2重建得到的植物主茎和叶柄三维网格模型对应的叶柄顶端，同时根据该叶柄的方向调整所放置的叶片网格模型的方向，从而实现园艺植物整体形态结构三维模型的重建。如图5所示，为利用上述方法重建的一棵西瓜植株的三维模型。

由以上实施例可以看出，与现有技术相比，本发明提出的技术方案中，通过三维数字化仪获取植物主茎和叶柄形态特征点，同时通过小型高精度三维扫描仪获取叶片的三维网格模型，能够满足在设施环境下对园艺植物进行原位、无损测量的要求，并使最终重建的植物三维模型具有更高的准确性和精度。在西瓜、黄瓜植株上进行了试验(西瓜植株重建结果见图5)，结果表明，本发明能够较好进行基于实测数据的设施园艺植物形态结构三维重建。本发明简单可行，达到了应用的要求。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于双尺度三维数字化数据的设施园艺植物三维重建方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、获取设施园艺植物主茎和叶柄的形态特征信息；

S2、利用所述形态特征信息重建所述设施园艺植物的主茎和叶柄三维网格模型；

S3、对步骤S1选取的设施园艺植物的植株上的每个叶片，利用三维扫描仪获取叶片的三维点云数据；

S4、对步骤S3获取的每个叶片的三维点云数据，生成每个叶片的三维网格曲面模型；

S5、利用步骤S2、S4所建立的模型重建所述设施园艺植物的整体形态结构三维模型。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述设施园艺植物以节间为单位。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤S1具体为：利用三维数字化仪获取植物主茎和叶柄的形态特征信息：对于主茎，沿根部至植物顶端方向顺序获取每个节间的特征点，每个节间选取两个特征点为一组；对于叶柄，每个叶柄选取三个特征点为一组。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤S2具体为：先将所获取的所有主茎上的特征点作为控制点，用B样条曲线表示主茎骨架；然后将所获取的每组叶柄的特征点作为控制点，用B样条曲线表示每条叶柄的骨架；将以上利用B样条曲线表示的主茎骨架和叶柄骨架建立植物主茎和叶柄的骨架结构；对该骨架结构，采用预设的方法生成每条B样条曲线的三维网格曲面，从而重建得到植物主茎和叶柄的三维网格模型。

5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤S4中：采用Delaunay三角剖分法生成叶片的三维网格曲面模型。

6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤S5具体为：将步骤S4建立的每个叶片的三维曲面网格模型放置到由步骤S2重建得到的植物主茎和叶柄三维网格模型对应的叶柄顶端，同时根据该叶柄的方向调整所放置的叶片的三维曲面网格模型的方向，从而完成设施园艺植物整体形态结构三维模型的重建。

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