基于深度图像的奶牛表型特征获取系统设计与试验

奶牛表型特征是评价奶牛成长状况的一项重要参数,为减少奶牛的应激性且能便捷地获取奶牛几何表型尺寸,运用图像处理技术提取奶牛表型特征参数,设计了一款针对深度图像和点云数据的奶牛几何表型特征获取系统。对奶牛深度图像采用背景减去法、阈值分割、滤波和空洞填充等方法获取奶牛目标区域,对目标采用边缘检测、角点检测和凸包运算等检测特征点,最后对应点云数据获得奶牛表型特征尺寸。系统现场试验结果表明,系统获取的体重准确性在98%以上,体尺准确性在96%以上,系统工作稳定、测量精度高,为实现数字化养殖打下了基础,具有很好的应用前景。     

基于深度图像的奶牛表型特征获取

奶牛表型特征是评价奶牛成长状况的一项重要参数,为减少奶牛的应激性且能便捷地获取奶牛几何表型尺寸,运用图像处理技术提取奶牛表型特征参数,设计了一款针对深度图像和点云数据的奶牛几何表型特征获取系统。对奶牛深度图像采用背景减去法、阈值分割、滤波和空洞填充等方法获取奶牛目标区域,对目标采用边缘检测、角点检测和凸包运算等检测特征点,最后对应点云数据获得奶牛表型特征尺寸。系统现场试验结果表明,系统获取的体重准确性在98%以上,体尺准确性在96%以上,系统工作稳定、测量精度高,为实现数字化养殖打下了基础,具有很好的应用前景。      

基于激光雷达的农田环境点云采集系统设计

设计了基于激光雷达的农田环境点云采集系统,可实现农田环境点云与农机位置姿态的稳定、可靠采集;设计了多传感器数据的采集软件,可实现准确、一致的全局点云数据获取。系统以拖拉机为移动载体,由点云数据采集模块、车体位姿采集模块和数据融合模块组成。其中,点云数据采集模块可获取周边环境点云数据,并解决近距离盲区问题;车体位姿采集模块可实时获取农机位置和姿态信息;数据融合模块可接收并融合环境点云数据与车体位姿数据,进而获取位姿补偿后的点云数据。系统实现了各传感器数据的在线采集、时间同步与空间配准,以及数据的实时显示与存储。在农田环境下进行点云采集试验,结果表明,采集系统具有良好的户外工作稳定性,在线典型丢帧率不超过1%,离线典型丢帧率不超过0. 47%,能够满足农田点云数据采集的要求。为分析系统采集点云数据质量,将经过位姿补偿的点云与原始点云分别进行直通滤波地面点滤除,结果表明,位姿补偿后的点云经滤波后仅包含少量地面点云,可作为农机自主导航避障的可靠数据。     

基于机载激光雷达点云的飞行障碍物提取方法研究

无人机搭载激光雷达扫描仪以获取机载点云已成为农作物冠层结构信息提取的理想数据源,基于机载激光雷达点云提取树木、电力塔、电力线等飞行障碍物,为无人机安全飞行提供可靠数据。首先,使用TerraSolid软件对点云进行滤波,分离地面点,提取植被树木、电力塔、电力线等障碍物,根据地物分布进行点云分幅。利用PCL点云库中随机采样一致性及稳健的特征值法构建平面模型,实现分幅后的点云非地面点及飞行障碍物提取。最后,以人工滤波结果和分类结果为参考点云,分别建立基于TIN算法的滤波结果和PCL分割结果的精度验证混淆矩阵,从而对滤波及分割提取障碍物的结果进行精度评价。研究结果表明,TerraSolid软件处理分幅点云效率优于整幅点云数据,TerraSolid及PCL两者对于处理相同分幅点云结果较为相近,其中PCL操作快捷高效,可视性较差。在提取飞行障碍物的过程中,可结合二者优势。     

基于激光雷达的枣树轮廓测量平台的设计与试验

针对枣树的三维轮廓信息重建,搭建了一种基于激光雷达的果树轮廓测量平台。通过在平台上的滑轨移动激光雷达获取果树的三维点云信息,采用MatLab软件对点云数据进行提取与处理。为了降低外部环境对点云数据处理的影响,采用高度统计直方图进行地面滤波实现地面点云的滤除,通过icp算法实现双侧点云的配准,应用欧氏聚类算法分割获取枣树点云数据。为验证研究方法的准确性,从点云轮廓数据中获取果树的冠幅数据与手工测量数据进行线性模型拟合对比,二者的相关系数R=0.91,均方根误差RMSE=0.06,相对误差RE=4.08%,拟合效果较好,说明此方法具有一定的可行性。     

Kinect获取植物三维点云数据的去噪方法

为解决Kinect获取的玉米三维点云数据噪声影响三维重建精度的问题,根据Kinect所获取的点云数据特点,采用多帧数据融合的方法获取更完整的三维点云数据并对点云数据进行初步平滑;通过对Kinect所获数据噪声进行分析,提出了一种基于密度分析和深度数据双边滤波的方法,分别对离群点噪声和内部高频噪声进行处理。以Kinect获取的玉米及茄子的三维点云数据进行去噪实验,所用去噪时间仅为传统双边滤波去噪时间的2.71%和1.78%,并且能够达到很好的去噪效果。结果表明,所提方法能够方便、快捷地去除不同尺度的噪声,同时保留边缘数据的完整性,获得良好的植物三维点云数据。     

基于SICK和Kinect的植株点云超限补偿信息融合

针对传统点云信息融合需要限制传感器之间位置以及繁杂标定和Kinect传感器室外工作受光照条件影响会出现目标边缘缺失的问题,提出了基于SICK和Kinect相机组合探测的植株点云超限补偿信息融合方法。首先采用SICK二维激光传感器融合实时行进速度传感器,实现对植株三维点云重构,同时通过Kinect传感器获取植株彩色和深度图像合成彩色点云,然后分别对SICK和Kinect异源点云进行阈值滤波预处理和体素栅格下采样,求取各点法线及快速点特征直方图,利用采样一致性初始配准方法使异源点云之间拥有较好的初始位置关系,再进一步使用ICP算法精确配准,通过近似最近邻搜索和超限补偿的方法完成点云信息融合。在超限补偿方法中,通过对比转换后点云间误差,判断数据有效性,实现对数据的最终融合。试验结果表明,本文方法可以有效、准确地实现不同点云之间的信息融合,并能有效抑制阳光的干扰。     

复杂环境下肉牛三维点云重建与目标提取方法

基于点云采集技术的非接触式测量能够缓解肉牛在采集体尺体重等参数时的应激问题,但采集肉牛的三维数据耗时长且易受环境干扰而产生大量无关噪点,难以适应实际养殖环境需求。为解决该问题,本研究开发了一种非接触式肉牛三维点云重建与目标提取系统与方法,采集的肉牛三维点云可为肉牛育种育肥提供大量标准化和三维量化表型数据。三维点云采集系统由Kinect DK深度相机、红外对射光栅触发器和射频识别（Radio Frequency Identification,RFID）触发器组成,可在肉牛自由通过步行道的瞬间实现肉牛点云的多角度瞬时采集。肉牛点云目标提取方法基于C++语言与点云处理库（Point Cloud Library,PCL）开发,通过空间直通滤波、统计学离群点滤波、随机抽样一致（Random Sample Consensus,RANSAC）形态拟合与点云抽稀、基于降维密度聚类的感知盒滤波等算法有效滤除与肉牛紧贴的栏杆等干扰,不破坏点云的完整性,实现肉牛点云的三维重建与分析。在养殖场中对20头肉牛进行了124次点云采集与目标提取试验。结果表明,重建的肉牛三维模型与肉牛真实形态1:1对应,系统的采集成功率为91.89%,采集的点云与真实值相比,体尺重建误差为0.6%。该系统与方法可以在无人干预的情况下,实现多角度肉牛点云数据的自动采集与三维重建,并从复杂环境中自动提取目标肉牛的点云,为非接触式肉牛体高、体宽、体斜长、胸围、腹围和体重等核心表型参数的测量提供重要的方法支撑,促进肉牛育种和育肥的标准化管理。     

基于颜色取样的苹果树枝干点云数据提取方法

为了快速提取苹果树冠层枝干三维点云数据,以不同生长时期苹果树冠层彩色点云数据为研究对象,提出了基于颜色取样的苹果树枝干点云数据提取方法。首先,提出了苹果树冠层彩色点云获取方法,利用Trimble TX8型地面三维激光扫描仪获取冠层点云数据,同轴全景摄像机获取彩色全景图,采用贴图方法着色点云数据;然后,提取全景图像苹果树冠层区域R、G、B颜色分量信息,根据其分布规律建立枝干部分自适应分割阈值,并根据颜色阈值删除冠层中非枝干部分彩色点云数据;最后,在Geomagic软件中经过封装—创建流形—编辑多边形—填充孔—光滑等一系列操作重建枝干三维模型。苹果树提取枝干点云数据实验结果表明,本文方法点云删除率为75. 74%,相对于人工枝干点云数据提取,侧枝数量平均准确率为93. 34%,效率提高200倍以上,大大缩短了冠层枝干三维重建时间。本研究成果可为有叶苹果树枝干动力学模型建立提供技术基础。     

基于车载三维激光雷达的玉米点云数据滤波算法

为支持表型参数测量和数字植物相关研究,对车载三维激光雷达获取的玉米点云数据进行分析处理,提出了一种基于统计分析的两次滤波算法。以大喇叭口期的京农科728和农大84玉米为研究对象,使用VLP-16型三维激光雷达采集田间玉米点云数据;对点云数据进行直通滤波预处理,去除无关点后,进行第1次点云数据滤波处理,设置精确率和召回率阈值,选取参数组合;再对点云进行第2次滤波处理,确定精确率和召回率最优组合(110,0. 9)、(6,1. 2),边际组合(100,1. 0)、(6,1. 2)和(110,0. 8)、(5,0. 9),共3组参数组合;以3组验证集数据进行测试,结果表明:最优组合性能最优,可在京农科728和农大84玉米点云数据滤波中通用。     

基于改进SIFT-ICP算法的Kinect植株点云配准方法

针对传统配准方法准确度低、速度慢的问题,提出了基于改进SIFT-ICP算法的彩色植株点云配准方法。首先采用Kinect获取不同视角下植株彩色图像和深度图像合成原始植株彩色点云,通过预处理提取原始点云植株信息,对植株点云进行尺度不变特征变换(SIFT)的特征点检测,得到点云配准关键点,再对关键点进行自适应法线估计,然后求取关键点的快速点特征直方图(FPFH),通过采样一致性(SAC-IA)初始配准方法改进点云间初始位置关系,最后利用Nanoflann加速最近点迭代(ICP)算法完成精确配准。试验结果表明,改进SIFT-ICP算法可以大幅度提高点云配准的准确性和快速性,其中对应点间平均欧氏距离小于7 mm,配准时间小于30 s。     

基于激光雷达的作物收获导航线实时提取方法研究

为提高联合收获机无人驾驶导航路径的精度,本文提出一种基于激光雷达的作物收获导航线实时提取方法。搭建点云数据采集系统,利用平面拟合法确定激光雷达安装高度和安装角度。利用三维激光雷达扫描收获机前方作物的点云数据,结合IMU惯性传感器反馈的姿态信息,实现作物点云数据从激光雷达坐标系到车体坐标系的变换。基于激光雷达扫描视场角、安装高度和安装角度获取感兴趣区域（ROI）的坐标,并对感兴趣区域进行直通滤波和统计滤波,去除灰尘、秸秆粉末等噪声的影响,以实现点云数据无效点和离群点的剔除。提出一种基于栅格八邻域高程差的作物收获导航线快速识别算法,以点云栅格化后在Z轴方向上的坐标值作为检测依据,定义某一栅格与其8个相邻栅格在Z轴坐标上的差值为高程差,遍历栅格并根据设定阈值进行比较判断,实现收获边界点的有效提取。采用最小二乘算法进行收获边界点的拟合,实现田间作业过程中作物收获导航线动态提取。田间试验表明,该方法具有较好的鲁棒性,能在作物稀缺、杂草较多等情况下保持较高的准确性,其中前进方向偏差角平均值为0.872°,割台横向偏差为0.104m,收获导航线准确率为93.5%,可为联合收获机工作提供辅助导航,提高无人驾驶的准确率。     

基于MRE-PointNet+AE的绿萝叶片外形参数估测算法

为了准确、高效、自动获取植物叶片外形参数,提出一种基于多分辨率编码点云深度学习网络(MRE-PointNet)和自编码器模型的绿萝叶片外形参数估测算法.使用Kinect V2相机以垂直姿态获取绿萝叶片点云数据,采用直通滤波、分割、点云精简算法对数据进行预处理,通过测定的叶片外形参数反演绿萝叶片几何模型,并计算几何模型的...     

基于三维点云的群体樱桃树冠层光照分布预测模型

合理的果树冠层结构和栽培密度可提高其冠层内光截获量,对提升果实产量和质量有重要影响。本文以细纺锤形樱桃树为研究对象,构建了基于三维点云的群体樱桃树冠层光照分布预测模型。使用Azure Kinect DK相机获取群体樱桃树三维点云数据,通过点云数据预处理得到完整的群体樱桃树三维点云数据。在冠层尺度内,对樱桃树冠层点云数据进行分层,提取不同区域的点云颜色特征。提出基于Delaunay三角化凹包算法的点云投影面积计算方法,通过凹包边界点提取和向量积叉乘,计算不同区域的点云投影面积。以点云颜色特征和相对投影面积特征为输入,以实测相对光照强度为输出,建立群体樱桃树冠层光照分布预测模型。试验结果表明,该模型能够较为准确地预测樱桃树冠层内的光照分布,预测值与实际值决定系数平均值为0.885,均方根误差为0.0716。研究结果可为樱桃树合理的种植密度管理及樱桃树休眠期自动化剪枝等提供技术支持。     

基于逆向工程技术的蜣螂外形数据采集与处理

采用三维激光扫描系统测量了臭蜣螂几何体表外形,获取了臭蜣螂几何体表外形的数据点云。利用逆向工程软件进行数据点云的平滑处理、精简处理及其多视数据的定位与拼接。使用点云数据网格化、曲面特征抽取与数据分片、曲面分割及直接拟合曲面片的造型方法,成功进行了臭蜣螂体表外形三维几何曲面模型的重构。     

基于快速点特征直方图的树木点云配准

随着农林业智能化与信息化发展,树木三维重建技术成为国内外研究的热点。为获取具有颜色信息的树木三维点云,需配准不同视角下的彩色点云数据,为果树三维重建提供基础数据。为此采用仿真树模拟果树,提出一种基于快速点特征直方图(FPFH)的树木点云配准方法,通过添加标定物增加具有稳定FPFH特征的点云个数,从而提高点对配准精度。首先,采用第二代Kinect相机获取树木多个视角的RGB图像和深度图像,通过数据融合、背景去除、滤波等预处理步骤,得到待配准的树木彩色点云数据。然后,使用采样一致性初始配准算法(SAC-IA)根据FPFH特征寻找不同视角下的匹配点对,求取近似变换矩阵。最后,采用最近点迭代算法(ICP)优化初始配准结果。此外,探讨Kinect采集距离、高度、视角差对配准精度的影响,确定最佳的数据采集方式：相机到树木中心的距离为2 m,相机高度为10 cm,每次扫描间隔45°。试验结果表明：设置标定物可以获取鉴别力更强的FPFH特征,提高配准精度,最终配准误差小于1.9 cm。     

基于Geomagic的叶片逆向建模与偏差对比分析

针对自由曲面类零件造型及误差评估困难等问题,提出一种基于Geomagic软件快速建模与偏差分析方法。利用三维扫描测量仪扫描获取叶片外形点云数据;通过GeomagicWrap软件对点云数据进行优化处理;再以Geomagic DesignX快速截取零件关键特征曲线的方式快速建模;最后对建模特征进行体偏差分析。结果表明,该方法可便捷提取零件的关键特征曲线,达到快速建模的目的。     

基于体着色的植物构型三维重建和可视化模拟

对植物进行三维重建通常利用立体视觉原理,由于立体匹配无法自动完成,加大了对植物构型时空变化的研究难度。根据体素颜色赋值法,设计了记录植物空间变化的体素三维重建系统,并利用其重建出植物点云数据,提出了针对植物体素点云数据进行滤波、分类及提取植物构型信息的算法,基于OpenAlea利用植物构型信息,建立植物构型模型并实现可视化模拟。采用阴香（Cinnamomum burmannii）枝条作为样本对该三维重建系统进行验证,结果表明,该系统能够自动重建枝条构型组织茎叶的点云,抽取植物构型信息的算法能快速正确得到枝     

基于改进ORB-SLAM2的果园喷药机器人定位与稠密建图算法

针对果园喷药机器人视觉导航过程中定位精度低、地图构建效果差等问题，本文提出一种新的视觉定位与稠密建图算法。该算法基于ORB-SLAM2算法架构，首先，通过优化FAST角点、描述子阈值，并采取图像金字塔法与高斯滤波算法，剔除劣质ORB特征点，以提升图像关键帧质量和特征匹配精度。其次，引入稠密建图线程，利用点云恢复算法、统计滤波方法形成点云队列，采取点云拼接技术与体素滤波算法输出稠密点云地图，并在ORB-SLAM2算法的ROS节点中增加关键帧输出接口与位姿发布话题，通过NeedNewKeyFrame函数选取ORB-SLAM2算法所生成的关键帧，减少系统计算量。最终，由RGB-D相机实现果园喷药机器人的精准定位与稠密建图。为验证本文算法的有效性与实用性，进行TUM数据集仿真分析与真实场景测试，结果表明：相较ORB-SLAM2算法，本文算法的绝对轨迹平均误差降低44.01%、相对轨迹平均误差降低7.93%,ORB特征点匹配数量平均提升19.03%,定位精度与运行轨迹效果均有显著提升，此外，还能获取较高精度的果园喷药机器人工作场景信息。本文算法可为果园喷药机器人的自主导航提供理论基础。     

基于RGB-D相机的蔬菜苗群体株高测量方法

为实现工厂化育苗生产线上黄瓜苗群体株高的快速无损测量,提出一种基于RGB-D(RGB-Depth)相机的温室育苗盘中蔬菜苗株高参数原位测量方法。以黄瓜苗为观测对象,在苗的正上方0. 75 m处架设RGB-D相机,以获取黄瓜苗盘的俯视彩色图像、深度图像以及彩色三维点云数据。在采集的俯视彩色三维点云中分割出单株幼苗点云集、并实现单株幼苗的定位是蔬菜苗群体株高原位测量的关键。根据RGB-D相机的成像原理,将滤波与聚类分割算法相结合,实现一种基于俯视的彩色三维点云数据处理方法,用于从穴盘幼苗群体点云集中分割出单株幼苗点云集。对黄瓜苗彩色三维点云数据的实验处理结果表明,条件滤波、颜色聚类以及统计滤波相结合的滤波算法能够更好地滤除土壤背景的点云集,欧氏距离聚类分割算法可以从滤除土壤背景后的点云中有效地分割出单株蔬菜苗点云集。最后,根据基于俯视的彩色三维点云数据的幼苗株高计算方法得出单株幼苗的株高。实验结果表明,黄瓜苗株高的平均测量误差为2. 30 mm,平均测量相对误差为7. 69%,该结果可为苗期作物群体关键生长参数的提取提供有效的解决方案。