[发明专利]一种基于Kinect自主标定的果树三维形态测量系统

摘要

本发明公开了一种果树三维形态测量系统，使用Kinect相机、直径10cm红黄蓝标定球各一个，实现Kinect自主标定，标定得到红黄蓝三球的球心，为多视角三维点云坐标统一奠定基础。使用Kinect对果树不同角度进行拍摄，采集多个视角下RGB‑D图像，确定Kinect相机内部参数，将采集的深度图转换为三维点云图。根据不同角度三色标定球的球心所在平面的法向量，将多视角下三维点云图进行位移以及旋转轴变换，选定初始参考坐标系，将其他视角下三维点云进行旋转角度逆变换，实现多视角三维点云统一坐标系，并进行均值迭代最近点法ICP精确配准，实现果树三维点云模型的精确重构。

主权项

1.一种基于Kinect自主标定的果树三维形态测量系统，其特征在于，搭建好标定球，必须使得将要拍摄的正反面三个标定球都能在采集的图像中显示，调节Kinect高度和远近距离以及拍摄角度，使得果树可以完整的在相机中显示，在果树正反面选择合适的位置采集两组数据；果树测量系统软件流程主要分为4个阶段：Kinect自主标定阶段、图像采集阶段、图像预处理与重建阶段、果树冠层信息计算阶段；Kinect自主标定阶段，在果树下方安置的直径为10cm的红色黄色蓝色三个标定小球围绕在树干周围；Kinect相机采集初始RGBD图(必须包含三个标定球的全部信息)，将Kinect相机移至果树另一侧，再次采集RGBD图(同样必须包含三个标定球的全部信息)；将采集的深度图转换为三维点云图；采用包围盒法或颜色阈值法分割采集的果树点云图，并分别分割红黄蓝三个标定球区域点云，分别计算初始角度和背面角度时三个标定球的球心坐标坐标，分别为R1(x，y，z)、Y1(x，y，z)、B1(x，y，z)、R2(x，y，z)、Y2(x，y，z)、B2(x，y，z)，并根据R1、Y1、B1和R2、Y2、B2，计算各角度内三个球心所确定的三角形的重心M1(x，y，z)、M2(x，y，z)；根据三个球心所确定的平面，计算该平面在M1、M2点的对应法向量p1(a，b，c)、p2(a，b，c)；根据两个角度的中心坐标M1、M2分别将其点云平移至Kinect坐标系原点O(0，0，0)，并将法向量p1、p2旋转至Kinect坐标系Z轴(0，0，1)，分别计算出p1、p2转轴变换旋转矩阵Rx1、Ry1和Rx2、Ry2，先将向量p1、p2绕X轴旋转α度至XOY平面，旋转矩阵为Rx(α)，再绕Y轴旋转β度至Z轴，旋转矩阵为Rz(β)；式中：Rx(α)为绕X轴旋转的矩阵，其中α为旋转角度；(a，b，c)为三个标定球球心所在平面法向量；Rz(β)为绕y轴旋转的矩阵，其中γ为旋转角度；Ry(γ)为绕Y轴旋转的矩阵，其中γ为旋转角度。