基于双目视觉的植物三维重建方法及应用

来源:用户上传      作者:孙茜 郑书河

　　摘要 概述了双目视觉技术与基于双目视觉的三维重建方法，介绍了基于双目视觉的三维重建技术的发展历程，分析了近几年基于双目视觉的三维重建方法在重构植物三维模型中的应用进展，提出了一种基于双目视觉技术的茶梢冠层三维重构的方法。该方法具有成本低廉、易于实现、受光照影响小、实时性好等优点，适合在自然环境中对果实、植物冠层等进行三维重建，可为果蔬采摘、植物生长状况监测、树木修剪等领域的研究提供有益参考。
　　关键词 双目视觉;三维重建;植物可视化;茶梢冠层
　　中图分类号 S126 文献标识码 A
　　文章编号 0517-6611（2021）24-0011-07
　　doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.24.003
　　Method of Plant 3D Reconstruction Based on Binocular Vision and Its Application
　　SUN Qian，ZHENG Shu-he （College of Mechanical and Electrical Engineering，Fujian Agriculture and Forestry University，Fuzhou，Fujian 350002）
　　Abstract Introduced the binocular vision technology，the 3D reconstruction method and the historical development of the 3D reconstruction technology based on binocular vision.We also analyzed the application progress of 3D reconstruction method in reconstructing 3D model of plants，proposed a method of 3D reconstruction of tea canopy based on binocular vision technology，and pointed out the future development trend of this method.This method has the advantages of low cost，easy implementation，less affected by illumination，and better real-time performance.It’s suitable for the 3D reconstruction of fruits and plant canopy in the natural environment，it provided a useful reference for research in the fields of fruit and vegetable picking，plant growth monitoring，and tree pruning.
　　Key words Binocular vision;3D reconstruction;Plant visualization;Tea crown layer
　　基金项目 茶园全程机械化作业关键技术研究（K1520005A05）;福建省自然科学基金（2017J01423）。
　　作者介 孙茜（1996―），女，黑龙江绥化人，硕士研究生，研究方向：茶树冠层三维重建技术。*通信作者，教授，博士生导师，从事智能农业装备研究。
　　收稿日期 2021-07-14
　　智慧农业的研究和应用日益蓬勃发展，逐步成为全球农业发展的大趋势，植物的可视化研究也逐渐成为研究热点[1-2]。植物可视化是将植物学、计算机图形学、仿真、传感器等专业知识结合在一起，使植物的形态结构在计算机上逼真重现的技术[3-4]。通过植物可视化技术，可以实现在计算机上模拟植物的生长过程[5-7]、重建植物单个器官的三维模型[5-7]、植物冠层生理生态功能仿真计算[8-10]、植物的表型分析[11]等操作。植物可视化的实现依赖于植物三维重建技术，是进行植物生长过程模拟的前提[12]，是植物冠层生理生态功能仿真计算的关键，在植物表型分析中扮演着至关重要的角色，对实现植物虚拟仿真分析、决策及应用，推广智慧农业具有十分重要的意义[13]。
　　双目立体视觉技术模拟人眼获取相同点产生的视差从而进行目标三维重建，获取三维图像[14-15]。与三维数字化仪等获取植物点云信息的方式相比，双目立体视觉技术成本更低、数据处理更少、实时性更好[16];与Kinect等获取深度图像方式相比，双目立体视觉技术对硬件、成本要求更低，不易受到光照的影响[17-18];与基于模型的三维重建技术相比，双目立体视觉技术计算复杂度更小，系统实时性更高[19];与基于多视角图像三维重建技术相比，双目立体视觉的设备和模型更简单易实现，更适合户外场景的重建。
　　1 双目视觉技术概述
　　1.1 双目视觉系统简介
　　双目立体视觉是机器视觉的一个重要分支，它模仿人的视觉原理获取图像的深度信息，将二维图像转换为三维图像，使机器具有感知三维空间的能力[20]。双目视觉系统分为两种[21]：一种是平行式光轴双目视觉系统[22]，另一种是汇聚式光轴双目视觉系统[23]，其中平行式光轴双目视觉系统是双目视觉系统在理想状态下的一种形式，而在实际的工作中由于安装误差等因素，使用的双目视觉系统为汇聚式光轴双目视觉系统（图1）。
　　 双目立体视觉是利用视差原理的一种机器视觉方法，该方法利用三角测量原理进行三维信息的获取，基本原理如图2所示。
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