[发明专利]基于图像的果树枝干三维模型重建方法

说明书

技术领域

本发明涉及三维模型重建的方法，特指一种基于模块化、使用图像处理技术和图形学 原理对果树枝干进行三维模型快速精确重建的方法。

背景技术

农产品的采摘是一项劳动强度大、消耗时间长的作业，目前，已采用水果采摘机器人 避开果树枝干摘取果实。由于果树个体形态千差万别，对水果采摘机器人要求预知果实和 障碍物(主要为果树枝干)三维场景，建立障碍物三维信息库，实现真实到虚拟场景的映 射，这就需要对果树枝干三维模型进行快速重建，为满足避障要求，所建模型必须具有准 确的空间精度；为了能适应果园场景的不断变化，所建模型必须满足实时要求。

2009年8月熊壮等人的《动态三维树实时仿真设计与实现》基于SpeedTree几何与图 像混合绘制技术的动态三维树木的建模、渲染设计及与3D引擎衔接的方案，为树木实时建 模提供了全新的新的思路；但是该方法目的在于构建虚拟环境，而构造树木的依据并不是 真实场景的特定树木，不存在空间位置精确性描述的要求。

申请号为200810101400.6，名称为“三维扫描仪及其三维模型重构方法”的专利，采 用的技术方法是：设计一种光栅扫描设备，提出了多次采集数据进行拼接以得到三维模型 的方法。这种方法的缺陷是：由于计算步骤复杂，无法实时生成目标场景，也不适合在自 然场景使用。

申请号为200610050797.1，名称为“基于双相机的小型场景三维重建方法及其装置” 的专利，采用的技术方法是：基于双相机的小型场景三维重建方法，这种方法的缺陷是： 适合特殊场合，且无法提供快速、实时建模方法和手段。

从以上公知技术可知：现有技术无法为水果采摘机器人提供既可以精确建模，又可以 实现实时映射的方法和手段，满足在自然场景下果实采摘实时避障要求。

发明内容

鉴于现有技术的不足，本发明旨在提供一种基于图像的果树枝干三维模型重建方法， 可在自然场景下实现对果树枝干的快速、精确和实时映射。

本发明采用的技术方案是：

1)通过采集装置采集当前视野下果树枝干图像的颜色信息值和对应的空间位置坐标 值；

2)对果树枝干图像进行细线化处理、剪枝处理和树枝的线段化处理；具体是：将果树 枝干图像进行二值化处理，将经二值化处理后的图像转化为距离图像，进行细线化处理， 将距离图像数据和细线化后图像数据结合得到果树枝干中心线距离值，再与采集得到的空 间位置坐标值结合，得到中心线每一点空间坐标以及对应的果树枝干半径，对果树枝干分 枝连接的节点进行分离处理，使其成为若干互不相连的枝条，将果树枝干枝条长度与枝条 半径的比值设为阈值T1，根据阈值T1进行剪枝处理；剪枝处理的方法是：

①图像顺次扫描，找到细线化图的非0点，判断该点周围八邻域非0点个数n：n＞1继 续扫描图像；n＝1，则设该点为初始点，设果树枝干坐标值及半径为{(x′，y′，z′)，R′}，扫 描得到的八邻域中的非0点设为终点，记录这两点的图像位置及两点对应的半径(R′，R″)最 大值R；

②对终点进行八邻域扫描，判断终点八邻域非0点个数n1：n1＝2，设扫描得到的新点 为终点，记录该点的图像位置，并用该点对应的树干中心坐标及对应半径值更新 {(x″，y″，z″)，R″}，重复进行步骤②；

③根据起始点和终点的坐标值求出起始点到终点距离d，若d＜T1×R，则将本次循环中 记录的所有点置为0点，即执行剪枝处理；否则回到步骤①；

3)对处理的图像进行多线段拟合减少建模数据，将果树枝干形态分解成若干具有单一 形态的模块；

4)对各单一形态的模块进行组合完成建模，建模方法为：

①从存储的数据中读取两空间点坐标值(x′，y′，z′)，(x″，y″，z″)及对应的果树枝干 半径R′、R″，将原坐标置为齐次坐标，即数据变为{(x′，y′，z′，1)，R′，(x″，y″，z″，1)， R″}，求出R′和R″的最大值设为R，并求出这一组数据中的两点空间距离的值D；

②根据求等分点的公式，将所得的所有等分点数据经过变换矩阵处理，得到描述{(x′， y′，z′)，R′，(x″，y″，z″)，R″}所对应的果树枝干的圆柱体两端面圆的等分顶点坐标值；

③将得到的圆柱体等分点坐标值顶点数据按照三维模型存储格式存储，生成一个模块；