[发明专利]基于云镜摄系统参数和视频帧的植物三维测量方法和系统

权利要求书

1.一种基于云镜摄系统参数和视频帧的植物三维测量方法，其特征在于，其步骤包括：

S1、对所述云镜摄系统的参数进行标定，获取所述云镜摄系统的轴像距以及像方和物方对应系数；根据所述云镜摄系统的运动规律，获取像平面上像移速率值；对所述像平面上像移速率值与所述云镜摄系统的俯仰值进行拟合，获取拟合的像平面上像移速率值与所述云镜摄系统俯仰值的拟合方程及其系数；

其中，轴像距为图像采集设备的轴心站点与像平面的中心的距离；

S2、根据所述云镜摄系统的参数，建立差分同名像点的几何配准模型，获取帧间同名像点；具体步骤包括：建立差分帧间同名像点的几何配准模型，以从视频帧中获取差分帧间光轴运动向量；建立帧间植物局部图像配准方法和帧间同名像点的二维配准矩阵，以获取目标区域的所有同名像点对；进行配准和差分优化校验，以获取最优配准结果；

S3、根据所述帧间同名像点，获得植物目标部位的点云世界坐标，具体步骤包括：建立同名像点的三维世界坐标转换矩阵；建立帧间双光学系统矢量投影关系模型、建立云镜摄系统运动矢量测量模型进行植物目标部位同名像点的矢量变换；获取目标部位的点云物方三维点云坐标；获取点云坐标的灰度和材质校正因子；

S4、根据所述植物目标部位点云世界坐标，获取待测数据；具体步骤包括：测量叶面积；测量果实体积；测量茎秆直径。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S1包括：

S11、利用张氏标定法对所述云镜摄系统进行标定，以获取所述云镜摄系统的焦距；利用变焦测距法对所述云镜摄系统进行变焦处理，以获得像素水平像长和像素水平物距；通过所述焦距和所述像素水平物距的光学和几何投影关系，获取该云镜摄系统的轴心站点至像心距，以下简称轴像距；公式如下：

lL=dziw+f+dzi---(1)]]>

其中，d_zi为轴像距的像方测度，首先计算光轴与像平面交点即像心点的运动弦长l和物点在光轴上投影的运动弦长L，利用光轴上点的运动速率规律和几何投影关系(1)可求得轴像距的物方测度d_z，其中以L和l计算物方和像方运动速度比；θ_x为光学系统运动前后像平面坐标轴x的夹角，其交点在过站点的轴心上；θ_y为光学系统运动前后像平面坐标轴y的夹角；θ_z为光学系统运动前后像平面坐标轴z的夹角；θ_y＝ω·Δt，其中ω为云台的水平旋转角速度，为云台的俯仰角，Δt为云台运动时间，f为像素水平焦距，w为像素水平物距；

S12、像方物方对应系数K_n(K_nx,K_ny,K_nz)获取，其步骤如下：

S121、像平面上的像方物方对应系数K_i(K_ix,K_iy)获取；

K_ix、K_iy表示像平面上的像方与物方测度的对应系数；在上述S11步骤获得的焦距下，由任选固定刻度距离段X在像平面x、y方向上的投影的物方长度，和其x、y方向像素个数m_x和m_y来获得，公式如下：

Kiy=lymyKix=lxmx---(2)]]>

其中m是像长在x、y轴方向投影的像素数，l_x、l_y是任选固定物方刻度的像在像平面的x、y轴上的投影物方长度；

S122、由步骤S121获取的K_i(K_ix,K_iy)，进一步获取像方物方对应系数的像素等差值ΔK(ΔK_x,ΔK_y,ΔK_z)；

K_(w+f)y是在(w+f)物距上y轴的像方和物方对应系数，由任选固定刻度距离段X在y方向上的投影的物方长度与其y方向像素个数来获得，K_(w+f)x也同样；公式如下：

K(w+f)y=xymyK(w+f)x=Xxmx---(3)]]>

其中m_x和m_y是像长在x、y轴方向投影的像素数，X_x、X_y是任选的固定物方刻度在x、y轴方向上的投影物方长度，f是标定测得的相机像方焦距，w是对所述云镜摄系统进行变焦处理获得的像素水平物距；

根据所述K_(w+f)y和所述K_i(K_ix,K_iy)的值，通过如下公式获取ΔK(ΔK_x,ΔK_y,ΔK_z)值：

ΔKx=2·(K(w+f)x-Kix)(w+f)(w+f+1)ΔKy=2·(K(w+f)y-Kiy)(w+f)(w+f+1)---(4)]]>

ΔK_z的获取由云镜摄系统运动在刻度尺上体现的实际物方变化和上述K_ix、K_iy获取；设投影物方坐标分别为(X_wa,Y_wa,Z_wa)和(X_wb,Y_wb,Z_wb)，刻度值为C，则：

ΔKz=2·C2-(Ywb·Kiy)2-(Xwa·Kix-Xwb·Kix)2|Zwa-Zwb|·(|Zwa-Zwb|+1)---(5)]]>

S123、由步骤S122获取的ΔK(ΔK_x,ΔK_y,ΔK_z)，进一步获取像素物距n下的像方与物方的对应系数K_n(K_nx,K_ny,K_nz)的公式如下：

Knx=Kix+Σ1nn·ΔKxKny=Kiy+Σ1nn·ΔKyKnz=Σ1nn·ΔKz---(6)]]>

S13、通过所述像方与物方的对应系数K_n(K_nx,K_ny,K_nz)和云镜摄系统水平转速ω，获取像平面上像移速率与俯仰值的拟合方程，其步骤如下:

S131、云镜摄系统轴像距和焦距的物方测度获取；

轴像距的像方物方测度换算公式如下：

dz=-Σ1dzidzi·ΔKz---(7)]]>

f为标定出的系统像素水平焦距，转换成物方测度的公式如下：

fw=Σ1ff·ΔKz---(8)]]>

其中，d_z为轴像距的物方测度，d_zi为轴像距的像方测度，f_w为焦距的物方测度，ΔK_z为像方物方对应系数在z轴方向的像素等差值；

S132、由上所述轴像距和焦距的物方测度及所述K_n(K_nx,K_ny,K_nz)，获取云镜系统机械运动速率；

根据云镜摄系统运动规律，由以下公式获得系统光轴上点的机械运动线速率的x、y和z方向线速率：

d_z为轴像距的物方测度，Δt是所述云镜摄系统中云台的运动时间，获得与的关系式如下：

其中，为像平面上像点在世界坐标中的随云镜摄系统移动的速率，K_i(K_ix,K_iy)，为像平面上某焦距下，物方测度与像方测度在机械运动和光学投影变化综合影响下的关联系数；

S133、：由所述与所述的关系式，获取像平面上与俯仰值的拟合方程；

与的拟合方程如下：

与的拟合方程如下：

与的拟合方程如下：

其中，(x_a,y_a)是像移前像点的像方坐标。