基于VTK的植物葉片點(diǎn)云信息處理方法的研究.pdf

1、虛擬植物生長模型對(duì)作物產(chǎn)量預(yù)測、土地生產(chǎn)力評(píng)價(jià)、資源環(huán)境分析、作物栽培指導(dǎo)、作物生長機(jī)理研究以及調(diào)控作物生長發(fā)育及其對(duì)環(huán)境的反應(yīng)研究都有著十分重要的意義。其中，精確的植物三維形態(tài)結(jié)構(gòu)模型可用來研究與植物空間結(jié)構(gòu)相關(guān)的性質(zhì)，是虛擬植物、植物建模相關(guān)等研究的一個(gè)重要方面。研究植物生長過程中的三維信息的獲取可以獲得作物生長過程中的各參數(shù)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，一改傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中難于定量化研究的局面，為精細(xì)農(nóng)業(yè)提供依據(jù)。
　　形態(tài)可視化技術(shù)是虛擬植物研究

2、的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文以植物葉片為研究對(duì)象，首先介紹了虛擬植物及植物三維可視化的研究現(xiàn)狀，討論了植物葉片三維可視化的可行性及必要性。結(jié)合可視化類庫VTK實(shí)現(xiàn)了植物點(diǎn)云三維可視化，并進(jìn)行了點(diǎn)云的坐標(biāo)變換，顏色映射等操作，真實(shí)感強(qiáng)，能很好的對(duì)植物葉片三維形態(tài)進(jìn)行模擬。其后，本文介紹了迭代最近點(diǎn)ICP算法，采用了多視場掃描和拼接方法及迭代最近點(diǎn)ICP算法兩種配準(zhǔn)方法結(jié)合的配準(zhǔn)方式進(jìn)行配準(zhǔn)，效果良好，獲得了良好的實(shí)踐效果。另外，本文介紹了Dela

3、unay三角化及其相關(guān)實(shí)現(xiàn)算法，并利用VTK可視化類庫實(shí)現(xiàn)了高效穩(wěn)定的Delaunay三角化。最后，本文對(duì)光線在植物葉片上的照射進(jìn)行了模擬。
　　本文主要研究內(nèi)容及結(jié)論如下:
　　1)利用結(jié)構(gòu)光掃描儀獲取植物形態(tài)特征的點(diǎn)云圖，從而進(jìn)一步對(duì)植物的生理結(jié)構(gòu)及形態(tài)特征進(jìn)行分析處理。筆者以植物葉片為研究對(duì)象，通過對(duì)植物葉片點(diǎn)云處理，獲取包含植物點(diǎn)云坐標(biāo)及顏色信息的文件，在逆向工程軟件中進(jìn)行去噪、通過旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)對(duì)被測物體進(jìn)行多視場掃描

4、和拼接等操作。從而獲取了符合后續(xù)實(shí)驗(yàn)要求的植物點(diǎn)云。
　　2)自主創(chuàng)新發(fā)明了一種用于檢測植物三維信息獲取系統(tǒng)獲取點(diǎn)云精度的基準(zhǔn)體，用該基準(zhǔn)體對(duì)系統(tǒng)在長度、角度兩個(gè)方面的測量精度進(jìn)行了檢測，檢測結(jié)果表明該系統(tǒng)獲取的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)在長度測量方面的精度達(dá)到了98％以上，而在角度測量方面的精度也達(dá)到了96％以上?？梢钥闯?，通過該系統(tǒng)獲取的三維植物點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度高，可以進(jìn)行后續(xù)的數(shù)據(jù)處理。
　　3)采用Microsoft Visual S

5、tudio C++2010集成編程環(huán)境，結(jié)合可視化類庫VTK(Visualization Toolkit)，在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)了植物葉片的三維重建和可視化顯示，對(duì)植物點(diǎn)云進(jìn)行了坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，顏色映射等操作，使其具有真實(shí)感并方便后續(xù)操作。采用了多視場掃描和拼接方法及迭代最近點(diǎn)ICP算法兩種配準(zhǔn)方法結(jié)合的配準(zhǔn)方式進(jìn)行配準(zhǔn)，效果良好，獲得了良好的實(shí)踐效果。并對(duì)葉片點(diǎn)云進(jìn)行Delaunay三角網(wǎng)格化，實(shí)現(xiàn)了植物葉片三維表面曲面重構(gòu)，具有較強(qiáng)的真實(shí)感，為

6、進(jìn)一步進(jìn)行葉片的結(jié)構(gòu)虛擬研究提供一種可行的方法。
　　4)基于上述算法開發(fā)了一個(gè)基于植物葉片三維可視化的軟件。利用VTK結(jié)合MFC編程在Microsoft Visual Studio C++2010平臺(tái)下實(shí)現(xiàn)了植物葉片的三維模型重構(gòu)。此軟件的主要功能包括植物葉片的點(diǎn)云三維顯示、旋轉(zhuǎn)、縮放、ICP算法配準(zhǔn)、Delaunay三角網(wǎng)格化、植物葉片點(diǎn)云在光照下的效果模擬等。結(jié)果表明此系統(tǒng)可以在普通PC機(jī)上實(shí)現(xiàn)植物葉片的無損原位幾何重構(gòu)，且