基于云鏡攝系統(tǒng)參數(shù)和視頻幀的植物三維測量方法和系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及數(shù)字圖像測量技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及基于云鏡攝系統(tǒng)參數(shù)和視頻幀的植 物三維測量方法和系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，農(nóng)業(yè)數(shù)字化生產(chǎn)管理是農(nóng)業(yè)信息化的重要內(nèi)容。葉片是植物制造營養(yǎng)物質(zhì) 的重要器官，是植物生長和結(jié)果的基礎(chǔ)；果實(shí)是植物重要的功能器官；莖桿是植物重要的 營養(yǎng)傳導(dǎo)器官。因此，通過實(shí)時(shí)獲取田間植物的果、葉、莖的性狀特征參數(shù)，判斷植物生長狀 態(tài)對實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)數(shù)字化管理具有重要意義。
[0003] 隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字圖像的采集和應(yīng)用也得到了極大的重視和長足的發(fā) 展，從田間植株的數(shù)字圖像解析中獲取的農(nóng)田大數(shù)據(jù)可以使農(nóng)業(yè)智能系統(tǒng)真正應(yīng)用到農(nóng)業(yè) 生產(chǎn)中去，但傳感器應(yīng)用和傳感數(shù)據(jù)的解析一直以來都是制約農(nóng)田作物數(shù)據(jù)獲取的瓶頸。 利用數(shù)字圖像進(jìn)行的植株測量技術(shù)的滯后制約著農(nóng)業(yè)圖像信息處理的發(fā)展。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明提供了基于云鏡攝系統(tǒng)參數(shù)和視頻幀的植物三維 測量方法及系統(tǒng)，該發(fā)明的數(shù)字圖像測量方法無需控制點(diǎn)、提高了三維測量設(shè)備的環(huán)境適 應(yīng)和設(shè)備兼容性。
[0005] 要解決的技術(shù)問題
[0006] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是利用成本較低、環(huán)境適應(yīng)強(qiáng)和設(shè)備兼容性高的普通 CCD和CMOS傳感器，并且無需物方控制點(diǎn)，來進(jìn)行溫室自然光環(huán)境下的植物果葉莖測量的 技術(shù)和方法，以克服一些高精度和高成本設(shè)備的應(yīng)用缺陷。
[0007] 技術(shù)方案
[0008] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出了一種基于云鏡攝參數(shù)和視頻幀的植物三維 測量方法，包括以下步驟：
[0009] S1.對云鏡攝系統(tǒng)外部參數(shù)的標(biāo)定方法，其優(yōu)選的步驟包括：測量云鏡攝系統(tǒng)的 軸像距；獲取像方和物方對應(yīng)系數(shù)的方法；建立像平面上像移速率值與云鏡攝系統(tǒng)俯仰值 的擬合方程及其系數(shù)。
[0010] S2差分同名像點(diǎn)的幾何配準(zhǔn)模型，其優(yōu)選的步驟包括：由幀間像平面的幾何關(guān) 系，建立基于運(yùn)動(dòng)和光學(xué)向量的向量轉(zhuǎn)換模型；進(jìn)一步獲取差分幀間光軸運(yùn)動(dòng)向量；由自 適應(yīng)圖像分割算法分割獲得的幀間葉片、果實(shí)或莖桿等的邊緣坐標(biāo)，進(jìn)一步利用幀間圖像 配準(zhǔn)方法及同名像點(diǎn)的二維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣，進(jìn)行其邊緣的幀間同名像點(diǎn)配準(zhǔn)，并獲取最優(yōu) 的配準(zhǔn)結(jié)果。
[0011]S3獲取植株目標(biāo)部位的點(diǎn)云世界坐標(biāo)的方法，其優(yōu)選的步驟包括：建立同名像點(diǎn) 的三維世界坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣；建立幀間雙光學(xué)系統(tǒng)矢量投影關(guān)系模型、建立云鏡攝系統(tǒng)運(yùn)動(dòng) 矢量測量模型；點(diǎn)云坐標(biāo)灰度和材質(zhì)校正因子計(jì)算方法。
[0012] S4植物局部測量的方法，其優(yōu)選的步驟包括：
[0013] 采用上述基于云鏡攝參數(shù)和視頻幀的測量方法獲得的植物測量部位物方世界坐 標(biāo)，直接進(jìn)行葉面積、體積和莖桿直徑等的數(shù)字圖像測量。
[0014] 本發(fā)明還提供了一種基于云鏡攝系統(tǒng)參數(shù)和視頻幀的植物三維測量的系統(tǒng)，具體 包括：
[0015] 云鏡攝參數(shù)獲取模塊，對云鏡攝系統(tǒng)外部參數(shù)的標(biāo)定方法，其特征在于，包括：獲 取云鏡攝系統(tǒng)的軸像距；獲取像方和物方對應(yīng)系數(shù)的方法；建立像平面上像移速率值與云 鏡攝系統(tǒng)俯仰值的擬合方程。
[0016] 同名像點(diǎn)配準(zhǔn)模塊，差分同名像點(diǎn)的幾何配準(zhǔn)模型，其特征在于，包括：建立基于 運(yùn)動(dòng)和光學(xué)向量的向量轉(zhuǎn)換模型；差分幀間光軸運(yùn)動(dòng)向量的求解方法；幀間植株局部圖像 配準(zhǔn)方法；建立幀間同名像點(diǎn)的二維配準(zhǔn)矩陣；進(jìn)行配準(zhǔn)的方法和獲取最優(yōu)的配準(zhǔn)結(jié)果。
[0017] 三維坐標(biāo)測量模塊，獲取植株目標(biāo)部位的點(diǎn)云世界坐標(biāo)的方法，其特征在于，包 括：建立同名像點(diǎn)的三維世界坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣；建立幀間雙光學(xué)系統(tǒng)矢量投影關(guān)系模型，建 立云鏡攝系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)矢量測量模型；獲取點(diǎn)云坐標(biāo)灰度和材質(zhì)校正因子方法；獲取三維點(diǎn)云 物方世界坐標(biāo)的方法。
[0018] 植物局部測量模塊，植物局部測量的方法，其特征在于，包括：采用上述基于云鏡 攝系統(tǒng)的參數(shù)和視頻幀的測量方法獲得的植物測量部位物方世界坐標(biāo)，直接進(jìn)行葉面積測 量、果實(shí)體積測量、莖桿直徑測量。
【附圖說明】
[0019] 通過參考附圖會更加清楚的理解本發(fā)明的特征和優(yōu)點(diǎn)，附圖是示意性的而不應(yīng)理 解為對本發(fā)明進(jìn)行任何限制，在附圖中：
[0020] 圖1為本發(fā)明一實(shí)施例提供的基于云鏡攝系統(tǒng)參數(shù)和視頻幀的植物三維測量方 法的流程圖；
[0021] 圖2為本發(fā)明一實(shí)施例提供的變焦測量法的示意圖；
[0022] 圖3為本發(fā)明一實(shí)施例提供的配準(zhǔn)過程的效果示意圖；
[0023] 圖4為本發(fā)明一實(shí)施例提供的圖像采集設(shè)備的運(yùn)動(dòng)幾何投影關(guān)系示意圖；
[0024] 圖5為本發(fā)明一實(shí)施例提供的差分幀間雙光學(xué)系統(tǒng)投影關(guān)系示意圖；
[0025] 圖6為本發(fā)明一實(shí)施例提供的基于云鏡攝系統(tǒng)參數(shù)和視頻幀的植物三維測量系 統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例 用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。
[0027] 如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例提供的基于云鏡攝系統(tǒng)參數(shù)和視頻幀的植物三維測量 方法，包括以下步驟：
[0028] S1.對云鏡攝系統(tǒng)外部參數(shù)的標(biāo)定方法，其優(yōu)選的步驟包括：測量云鏡攝系統(tǒng)的 軸像距，即圖像采集設(shè)備的軸心站點(diǎn)與像平面的中心的距離；求解像方和物方對應(yīng)系數(shù)的 方法；建立像平面上像移速率值與云鏡攝系統(tǒng)俯仰值的擬合方程。
[0029]S2.差分同名像點(diǎn)的幾何配準(zhǔn)模型，其優(yōu)選的步驟包括：建立運(yùn)動(dòng)和光學(xué)向量轉(zhuǎn) 換模型；差分幀間光軸運(yùn)動(dòng)向量的求解方法；幀間植株局部圖像配準(zhǔn)方法；建立幀間同名 像點(diǎn)的二維配準(zhǔn)矩陣；進(jìn)行配準(zhǔn)和差分優(yōu)化校驗(yàn)獲取最優(yōu)值。
[0030]S3.計(jì)算植株目標(biāo)部位的點(diǎn)云世界坐標(biāo)的方法，其優(yōu)選的步驟包括：建立同名像 點(diǎn)的三維世界坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣；建立幀間雙光學(xué)系統(tǒng)矢量投影關(guān)系模型、建立云鏡攝系統(tǒng)運(yùn) 動(dòng)矢量測量模型；點(diǎn)云坐標(biāo)灰度和材質(zhì)校正因子計(jì)算方法。
[0031]S4.植物局部測量的方法，其優(yōu)選的步驟包括：采用上述基于云鏡攝參數(shù)和視頻 幀的測量方法獲得的植物測量部位物方世界坐標(biāo)，直接進(jìn)行葉面積測量、果實(shí)體積測量莖 桿直徑測量的方法。
[0032] 上述的方法從同一視頻流中截取植物圖像，并對植物圖像進(jìn)行分割、配準(zhǔn)處理，以 計(jì)算植物的三維物方坐標(biāo)，進(jìn)而完成對植物的測量。相比于現(xiàn)有的利用數(shù)字圖像進(jìn)行植株 測量的技術(shù)，無需控制點(diǎn)，計(jì)算簡化、環(huán)境適應(yīng)強(qiáng)、設(shè)備兼容性高，同時(shí)降低了成本。參照圖 1，該方法包括以下優(yōu)選的步驟：
[0033]S1具體包括：
[0034]S11獲取云鏡攝系統(tǒng)的軸像距，包括：
[0035]利用張氏標(biāo)定法標(biāo)定焦距；利用變焦測量模型計(jì)算出像方像素水平物距和像素水 平像長，參照圖2,像素水平物距和像長測量公式：
[0038] 其中，X為物方像高，f為像素水平焦距，ldP1 2為像素水平像方像高，w為像素水 平物距。
[0039] 參照圖4,根據(jù)光軸與像平面交點(diǎn)即像心點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)弦長1和物點(diǎn)在光軸上投影的 運(yùn)動(dòng)弦長L，利用幾何投影關(guān)系可求得軸像距。公式如下：
[0041] 其中，dzl為軸像距dz的像方測度。
[0042] 首先計(jì)算光軸與像平面交點(diǎn)即像心點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)弦長1和物點(diǎn)在光軸上投影的運(yùn)動(dòng) 弦長L，利用光軸上點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速率規(guī)律和幾何投影關(guān)系（1)可求得軸像距dzl的像方測度，
Θx為光學(xué)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)前后像平面坐標(biāo)軸X的夾角，其交點(diǎn)在過站點(diǎn)的軸心上；Θy為光學(xué)系統(tǒng) 運(yùn)動(dòng)前后像平面坐標(biāo)軸y的夾角；θz為光學(xué)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)前后像平面坐標(biāo)軸z的夾角。θy=
[0043] 其中，ω為云臺的水平旋轉(zhuǎn)角速度，?β為云臺的俯仰角，Δt為云臺運(yùn)動(dòng)時(shí)間。f 為像素水平焦距，W為像素水平物距。以下所有標(biāo)識與此處相同。
[0044] S12,獲取云鏡攝系統(tǒng)的像方物方對應(yīng)系數(shù)Kn (Knx，Kny，Knz)，其優(yōu)選的步驟如下：
[0045] 步驟一：獲取像平面上的像方物方對應(yīng)系數(shù)& (Klx，Kly);
[0046] Klx、Kly表示像平面上的像方與物方測度的對應(yīng)系數(shù)。在S11獲得的焦距下，由任 選固定刻度距離段X在像平面X、y方向上的投影的物方長度，和其X、y方向像素個(gè)數(shù)1^和 my來獲得，公式如下：
[0048] 其中，m是像長在X、y軸方向投影的像素?cái)?shù)，lx、1￥是任選固定物方刻度的像在像 平面的X、y軸上的投影物方長度。
[0049] 步驟二：根據(jù)步驟一獲取的& (Klx，Kly)，進(jìn)一步獲取像方物方對應(yīng)系數(shù)的像素等差 值ΑΚ(ΔΚΧ，AKy，ΔΚΖ);
[0050] K(w+f)y是在（w+f)物距上y軸的像方和物方對應(yīng)系數(shù)，由任選固定刻度距離段X在 y方向上的投影的物方長度與其y方向像素個(gè)數(shù)來獲得，Ku+f),同樣；公式如下：
[0052] 其中，mJP11^是像長在x、y軸方向投影的像素?cái)?shù)，Xx、Xy是任選的固定物方刻度在 X、y軸方向上的投影物方長度，f是標(biāo)定測得的相機(jī)像方焦距，Wpw2均是對所書云鏡攝系 統(tǒng)進(jìn)行變焦處理獲得的像素水平物距。
[0053] 根據(jù)Ku+f)y和步驟一獲取的Ki(Klx，Kly)值，進(jìn)一步通過以下公式獲取 ΔΚ(ΔΚΧ,ΔΚΥ,ΔΚΖ)ft：
[0055]Λ心由云鏡攝系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)在刻度尺上體現(xiàn)的實(shí)際物方變化和上述Kxl、Kyl獲取。設(shè) 投影物方坐標(biāo)分別為（Xwa，Ywa，Zwa)和（Xwb，Ywb，Zwb)，刻度值為C，則：
[0057] 步驟三：由上述步驟二獲取的ΛΚ(ΔΚχ，ΔKy，ΔKz)，進(jìn)一步獲取像素物距η下的 像方與物方的對應(yīng)系數(shù)Κη (Κηχ，Kny，Κηζ)的公式如下：
[0059]S13,根據(jù)所述云鏡攝系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，獲取像平面上像移速率值，具體包括：
[0060]通過S12獲取的像方與物方的對應(yīng)系數(shù)1 (Knx，Kny，Knz)和云鏡攝系統(tǒng)水平轉(zhuǎn)速ω， 其中，該水平轉(zhuǎn)速由云鏡攝系統(tǒng)中智能云臺的固有參數(shù)中獲取；進(jìn)一步獲取像平面上像移 速率％ 與俯仰值的擬合方程，其優(yōu)選的步驟如下：
[0061] 步驟一：獲取云鏡攝系統(tǒng)的軸像距和焦距的物方測度；
[0062] 軸像距的像方物方測度換算公式如下：
[0064] f為標(biāo)定出的系統(tǒng)像素水平焦距，轉(zhuǎn)換成物方測度的公式如下：
[0066] 其中，4為軸像距的物方測度，dzl為軸像距的像方測度，fw為焦距的物方測度， △ &為像方物方對應(yīng)系數(shù)在z軸方向的像素等差值；
[0067] 步驟二：由上述步驟一獲取的軸像距和焦距的物方測度及S12獲取的 Kn (Knx，Kny，κηζ)，進(jìn)一步獲取云鏡系統(tǒng)機(jī)械運(yùn)動(dòng)速率；
[0068] 根據(jù)云鏡攝系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，系統(tǒng)光軸上點(diǎn)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)線速率(V|x,V|y, V|z)的X、y 和z方向線速率，由以下公式獲得：
[0069]
[0070] 其中，4為軸像距的物方測度，Δt是云臺運(yùn)動(dòng)時(shí)間。
[0071] 當(dāng)焦距一定時(shí)，經(jīng)過正畸后的像平面上所有像點(diǎn)機(jī)械像移速率一致，獲得 歹(VvVJ與~X,V)的關(guān)系式如下：
[0072]
[0073] 其中，為像平面上像點(diǎn)在世界坐標(biāo)中的隨云鏡攝系統(tǒng)移動(dòng)的速 率，即為像平面上像移速率值A(chǔ)(Klx，Kly)為像平面上某焦距下，物方測度與像方測度在機(jī) 械運(yùn)動(dòng)和光學(xué)投影變化綜合影響