青克樂(lè)其其格,郭新宇,肖伯祥,溫維亮
(1.國(guó)家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心,北京100097 2.首都師范大學(xué) 信息工程學(xué)院,北京 100048))
基于多角度圖像的水稻稻谷幾何建模方法研究
青克樂(lè)其其格1,2,郭新宇1,肖伯祥1,溫維亮1
(1.國(guó)家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心,北京100097 2.首都師范大學(xué) 信息工程學(xué)院,北京 100048))
為實(shí)現(xiàn)水稻稻谷的幾何建模和真實(shí)感顯示,本文提出了一種基于多角度圖像的稻谷三維形態(tài)建模方法。利用數(shù)字視頻顯微鏡采集稻谷的顯微圖像,提取稻谷圖像邊緣點(diǎn)的二維形態(tài)特征參數(shù);通過(guò)幾何變換將二維參數(shù)轉(zhuǎn)換成三維形態(tài)特征參數(shù);最后,用B樣條曲線曲面擬合的方法實(shí)現(xiàn)了水稻稻谷的三維重建,并使用紋理貼圖和光照處理來(lái)增強(qiáng)真實(shí)感。結(jié)果表明,本方法重建的稻谷具有較強(qiáng)的真實(shí)感,為稻麥谷粒的可視化仿真提供了可行的方法。
水稻谷粒;圖像;三維建模;幾何變換
植物的三維形態(tài)特征直接反應(yīng)了其遺傳特性和對(duì)環(huán)境的適應(yīng)結(jié)果,實(shí)現(xiàn)植物三維形態(tài)的精細(xì)重建和真實(shí)感顯示具有重要意義。水稻是世界上最重要的糧食作物之一。近年來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者越來(lái)越關(guān)注水稻結(jié)構(gòu)形態(tài)的可視化仿真研究[2-5]。稻谷是水稻的主要組成部分之一,由于水稻稻谷體積較小,不易獲取和測(cè)量其幾何形態(tài)特征,在以往的水稻可視化建模過(guò)程中經(jīng)常對(duì)其形狀進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。孫愛(ài)珍等[6]和楊紅云等[7]用2個(gè)共底面圓錐體來(lái)描述水稻的稻谷,伍艷蓮[8]等用一個(gè)橢球體來(lái)模擬小穗上的稻谷。由于對(duì)稻谷的幾何形態(tài)進(jìn)行了過(guò)度簡(jiǎn)化處理,不能準(zhǔn)確地體現(xiàn)稻谷的形狀特征。Ogawa[1]等用切片的方法重建了水稻稻谷模型,但是這種方法對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的要求較高,不易獲取觀測(cè)數(shù)據(jù)。
由于水稻稻谷的體積較小,用三維掃描儀只能獲得一些雜亂無(wú)章的特征點(diǎn)或點(diǎn)云數(shù)據(jù),不能高效快捷的實(shí)現(xiàn)稻谷的三維建模。對(duì)此,本文獲取稻谷多角度圖像的基礎(chǔ)上提出一種基于圖像的稻谷三維形態(tài)簡(jiǎn)易建模方法。
水稻稻谷由稻殼和果實(shí)組成,稻殼包裹著果實(shí),一般為橢圓形(見(jiàn)圖1)。假設(shè)稻谷橫切面(見(jiàn)圖1(B))的中心在坐標(biāo)原點(diǎn),用直線連接6個(gè)棱與坐標(biāo)原點(diǎn),通過(guò)測(cè)量發(fā)現(xiàn)這6條連線之間的夾角為60°左右。本文認(rèn)為水稻稻谷形狀是由六個(gè)棱的形態(tài)所決定的。
本文采集了鎮(zhèn)稻88的蠟熟期和完熟期的顯微圖像,結(jié)合稻谷形狀特征提出了旋轉(zhuǎn)固定角度—采集平面圖像的圖像測(cè)量方法。
通過(guò)數(shù)字視頻顯微鏡(Digital video Microscope)可以采集到水稻稻谷的顯微圖像。但是用數(shù)字視頻顯微鏡觀察到的是稻谷的二維圖像,需要對(duì)其進(jìn)行相關(guān)處理,轉(zhuǎn)換成三維數(shù)據(jù)。在數(shù)字視頻顯微鏡下調(diào)整好角度,我們可以觀察到水稻稻谷的一個(gè)面(有四個(gè)棱,見(jiàn)圖1(A)),用線代表能夠觀察到的四個(gè)棱,假設(shè)看到的是線1、線2、線3和線5(圖2中的實(shí)線)。繞x軸逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)60°后,所觀察到的是線6、線1、線3和線5。
假設(shè)水稻稻谷的中心點(diǎn)在原點(diǎn)。采集平面圖像的步驟如下:首先,采集稻谷的正面(可以觀察到谷粒的四個(gè)棱)照片,然后把稻谷旋轉(zhuǎn)60°后再采集一次圖像,再旋轉(zhuǎn)60°后再采集一次圖像,在旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中不能移動(dòng)稻谷(這樣保證了每次旋轉(zhuǎn)之后稻谷的兩端點(diǎn),也就是六條線交點(diǎn)的坐標(biāo)不變)。
圖2 水稻稻谷繞x軸旋轉(zhuǎn)的示意圖
獲取不同角度的稻谷二維數(shù)據(jù)后,要把二維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成三維數(shù)據(jù)。第一次是旋轉(zhuǎn)了60°,通過(guò)繞x軸旋轉(zhuǎn)60°即可對(duì)當(dāng)前邊緣點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行從二維到三維的變換。轉(zhuǎn)換公式為:
第二次是在第一次繞旋轉(zhuǎn)60°的基礎(chǔ)上再繞x軸旋轉(zhuǎn)60°,也就是共繞 x軸旋轉(zhuǎn)120°,計(jì)算公式為
可以用圖像處理軟件(如Photoshop,Fireworks,ACD see等圖像處理軟件)在三次采集的圖像上獲取其邊緣點(diǎn)的二維坐標(biāo)。整個(gè)采集圖像過(guò)程和數(shù)據(jù)處理過(guò)程可以用圖3來(lái)表示。
水稻稻谷的形狀主要由六條曲線所決定,獲得六條曲線上點(diǎn)的三維坐標(biāo)后,可以用曲面擬合的方法表示稻谷的形狀。由于B樣條曲線曲面具有形狀控制直觀、局部性狀特征。k次B樣條曲線方程定義如下:
其中di(i=0,1,…,n)成為B樣條曲線控制頂點(diǎn),其順序連成的折線成為B樣條控制多邊形,U=[u0,u1,…,un+k+1](u0≤u1≤…≤un+k+1)稱為節(jié)點(diǎn)矢量,Bi,k(u)(i=0,1,…,n)稱為k次規(guī)范B樣條基函數(shù)。它是由節(jié)點(diǎn)矢量所決定的k次分段多項(xiàng)式。k次規(guī)范B樣條基函數(shù)的遞歸定義如下:
圖3 谷粒的圖像采集和數(shù)據(jù)處理全過(guò)程的示意圖
本文采用三次均勻B樣條曲線擬合這六條曲線,再用B樣條曲面擬合稻谷的三維形態(tài)。圖4為稻谷模型的線框圖。
圖4 水稻谷粒模型的線框圖
稻谷外殼上長(zhǎng)有絨毛,可以用多種方法生成絨毛,為了同一數(shù)學(xué)表示方法,本文用B樣條曲線近似表示稻谷上的絨毛。建立了水稻稻谷的幾何模型后,再用之前采集的顯微圖像對(duì)模型進(jìn)行紋理貼圖,同時(shí)添加光照,可獲得真實(shí)感很強(qiáng)的稻谷三維模型。
本文用DM-220-XY數(shù)字視頻顯微鏡(Digital video Microscope)采集鎮(zhèn)稻88稻谷的不同角度的顯微圖像,用Adobe Photoshop cs4獲取稻谷邊緣二維數(shù)據(jù)。水稻稻谷的三維重建是在Windows平臺(tái)上,以Visual C++2005為開(kāi)發(fā)工具,以O(shè)penGL為圖形平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的。圖5為不同時(shí)期水稻稻谷三維模型。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明用本文提出的方法建立的稻谷三維模型能夠很好地表示水稻稻谷的形狀特征,模型具有較強(qiáng)的真實(shí)感。
本文提出了一種基于多角度圖像的獲取水稻稻谷三維數(shù)據(jù)的方法,在此基礎(chǔ)上建立了稻谷三維幾何模型。首先用數(shù)字視頻顯微鏡采集水稻稻谷多角度顯微圖像,然后通過(guò)幾何變換將二維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成三維數(shù)據(jù),獲取三維數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上用曲線曲面擬合技術(shù)重建稻谷三維模型,并用紋理貼圖和光照處理等技術(shù)加強(qiáng)了模型的真實(shí)感。
圖5 不同時(shí)期水稻稻谷三維模型
[1]Ogawa Y,Kuensting H,Sugiyama J,Ohtani T,Liu X,Kokubo M,Kudoh K,Higuchi T.Structure of a rice grain represented by a new three-dimension visualization technique[J].Journal of Cereal Science,2002,36(1):1-7.
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Rice Grain Modeling Based on Multi-perspective Images
QINGKELE Qi-qige,GUO Xin-yu,XIAO Bo-xiang,WEN Wei-liang
(1.National Engineering Research Center for Information Technology in Agriculture,Beijing 100097,China 2.Information Engineering College,Capital Normal University,Beijing 100048,China)
A method based on multi-perspective images is presented for 3D rice grain modeling.Firstly,feature images of rice grain are captured using digital video microscope and 2D feature data of rice grain is extracted.Secondly,2D data is translated into 3D data by geometric transformation.Finally,the rice grain geometric model is reconstructed using B-splines fitting method based on 3D data.Furthermore,texture mapping and lighting are used to improve realistic of grain model.The experimental results show that the visualization model has realistic effect and provide a feasible method for grain's model.
rice grain;image;3D modeling;geometric transformation
TP391.41
A
1673-4793(2011)03-0072-04
2010-07-07
中國(guó)高技術(shù)研發(fā)計(jì)劃(NO.2007AA10Z224),北京市自然科學(xué)基金(NO.4081001)
青克樂(lè)其其格(1983-),女(蒙族),內(nèi)蒙古鄂爾多斯市人,碩士研究生.
(責(zé)任編輯
:龍學(xué)鋒)