[发明专利]一种基于Kinect自主标定的高通量温室植物表型测量系统

权利要求书

1.一种基于Kinect自主标定的高通量温室植物表型测量系统，其特征在于，包括成像室、成像系统控制柜、控制器、图形工作站、LED光源、Kinect相机、精密旋台、两轴滑轨、植物表型测量软件；

成像室采用铝型材搭建，顶部、侧面以及底部均封闭面，其中X轴向两侧面安装有移动门，成像室顶部安装LED光源；在成像室上方安装两轴滑轨，Kinect相机安装于Y轴滑轨支架上，横向Z轴与纵向Y轴均为步进电机驱动，步进电机通过驱动器连接至控制器，实现Kinect相机水平方向距离(Z轴)与测量高度(Y轴)的精确控制；在滑轨Y轴和Z轴两端均设置有限位保护开关，实现Kinect相机位姿控制保护功能；Kinect相机通过USB线缆连接至图形工作站，采用软件触发方式；在成像室底部安装精密旋台，旋台由步进电机驱动，两轴步进电机驱动器信号线连接至控制器；成像系统控制柜安装于成像室侧面，控制柜中主要包括：开关电源、控制器、继电器、步进电机驱动器、信号中继器；温室植物表型测量软件安装于图形工作站上，成像系统控制柜通过RS232线连接至图形工作站；

所述成像系统，采用Kinect相机与精密旋台结合，实现多视角RGBD图像高速采集；

所述Kinect自主标定，在旋台圆盘表面贴有两块圆形标定贴，旋台圆盘表面为蓝色，两块标定贴分别为黄色标定贴和红色标定贴；Kinect相机采集初始RGBD图，将旋台旋转180°，再次采集RGBD图，采用包围盒法或颜色阈值法分割旋台表面点云图，并分别分割黄色标定贴和红色标定贴区域点云，计算初始0°和180°时标定贴的中心坐标，分别为Y₁(x，y，z)、R₁(x，y，z)、Y₂(x，y，z)、R₂(x，y，z)，并根据Y₁、R₁、Y₂和R₂，计算旋转轴中心坐标M(x，y，z)，根据旋台表面点云坐标，计算旋台表面法向量p(a，b，c)，根据旋台中心坐标M，将旋台中心坐标M平移至Kinect坐标系原点O(0，0，0)，并将旋台表面法向量p旋转至Kinect坐标系Y轴(0，1，0)，计算出转轴变换旋转矩阵Rx和Rz；

根据旋台表面点云坐标，计算旋台表面法向量p(a，b，c)；根据旋台中心坐标M，将旋台中心坐标M平移至Kinect坐标系原点O(0，0，0)，并将旋台表面法向量p旋转至Kinect坐标系Y轴(0，1，0)，先将向量p绕X轴旋转α度至XOY平面，旋转矩阵为R_x(α)，再绕Z轴旋转β度至Y轴，旋转矩阵为R_z(β)；

式中：R_x(α)为绕X轴旋转的矩阵，其中α为旋转角度；(a，b，c)为旋台表面法向量；R_z(β)为绕Z轴旋转的矩阵，其中β为旋转角度；R_y(γ)为绕Y轴旋转的矩阵，其中γ为旋转角度；

多视角植物三维点云均需要进行位移与转轴变换，初始三维点云不需要Y轴旋转逆变换，其他视角三维点云需要进行Y轴旋转逆变换，旋转矩阵为R_y(γ)，具体选择角度γ是根据实现测量时旋转角度即根据视角间隔，人为设置γ。