专利名称：结合图像和计算模型的茶叶嫩芽形态的三维重建方法
技术领域：
本发明属于图像处理技术领域，是一种结合茶叶图像和计算模型的对现场茶叶图 像中茶叶嫩芽形态进行三维重建的方法。
背景技术：
植物形态三维重建是当前农学和计算机视觉领域研究的重要问题之一。通过植物 形态的三维重建能够精确地再现植物的形态结构，分析与植物形态结构有关的定性、定量 特征及生理生态过程。近年利用图像或视频进行农作物形态参数的精确测量和三维重建已 经引起研究者越来越多的关注。这方面的研究报道最早多以树木为研究对象，其后在玉米、 小麦等作物上也有了相近的研究。早期结合图像和L系统，通过构建虚拟外壳的方法对树 木的轮廓进行了重建。或者采用三维数字化仪对白苜蓿的三维特征点进行测量，测量分析 了叶面积指数等植物学特征，或者根据立体视觉原理，来建立植物幼苗的三维重建。但传统器官建模方法，如基于L系统的叶建模等，主要是基于图形学几何表示，模 型的可控性较好，但视觉效果不理想，为了得到较为逼真的效果，必须进行高复杂度图形运 算。基于图像的器官重建，虽然可以得到较好的视觉效果，但生长可控性较差。应用立体视 觉系统重建过程中立体匹配需要准确交互才能确保正确，而利用三维可视化仪进行重建的 系统成本太大。同时传统方法还存在测量准确度不高、重建的逼真度不够和对图像获取环 境要求苛刻等问题。目前对现场茶叶进行精确测量及三维重建的研究还很少见，茶叶嫩芽的生长状态 和成熟度对茶叶的采摘和后期的茶叶成品质量有着重要的影响，及时的掌握茶叶嫩芽的生 长状态对茶叶的标准化规模生产有着积极的作用。本发明对茶叶嫩芽的分割和其后的三 维形态进行了研究，提出了一种结合了茶叶真实图像和计算模型的茶叶嫩芽三维重建的方 法。此方法因结合图像能很大地减少模型的计算量，而由于采用真实图像，能更好的重现真 实的三维图像，同时结合了计算模型，能更好地模拟茶叶的生长。
发明内容
本发明提出的结合茶叶图像和模型的茶叶嫩芽形态的三维重建，首先通过数码相 机或摄像头取得茶树中茶叶的原始图像，经过去噪和颜色空间RGB到HSI的转换后，通过 基于颜色和区域生长的改进算法来完成茶叶图像中茶叶嫩芽的分割和利用边缘检测算法 对分割后图像中的茶叶嫩芽进行边缘提取。再通过提取的茶叶嫩芽图像再计算出枝节的 三维坐标，并提取出中轴、叶宽，叶长、叶倾角等各项特征参数。同时采集茶叶顶芽和幼叶的 数码图像集，提取顶芽和幼叶特征参数，通过分析茶叶顶芽和幼叶特征，构建顶芽和幼叶形 态的计算模型并建立茶叶叶片的数据模型库。然后将取得的嫩芽参数与已有的茶叶叶形的 数据模型库进行匹配和计算，最后结合茶叶图像和所取得的叶轮廓和骨架，并采用VC++结 合OpenGL完成对茶叶嫩芽的三维枝叶重建。此方法避免了单纯数学模型重建所带来的大 量计算，也避免了单纯基于图像重建所需要的大量图像
它的实现包含以下具体步骤(1)获取茶树中茶叶原始图像；(2)将原始图像去噪和从RGB颜色空间转换到HSI颜色空间，并选取模型中的H和 S参数作为茶叶图像的特征；(3)在图像中选择部分像素点作为种子；(4)基于生长规则对种子区域进行生长，将与茶叶嫩芽种子颜色性质相似的相邻 像素附加在生长区域的种子上，基于合并规则对整幅图像的多个子块进行扫描，对在颜色 上相近，空间上相邻的区域进行合并；(5)完成茶叶嫩芽的分割和对茶叶嫩芽进行特征参数的提取；(6)进行茶叶叶脉曲线模型和茶叶叶形形态模型的计算和与标准的茶叶叶形数据 库进行数据匹配的计算；(7)完成茶叶嫩芽的三维重建。在茶叶图像中两个区域在颜色上相近，空间上相邻，并且其邻域处没有显著的边 缘则可认为是两个可相连的区域。即一个区域与它的邻域的相对颜色距离的最大值要小于 定义的阈值。颜色距离定义采用区域的色调分量均值进行计算，定义如下
权利要求
1.一种结合图像和计算模型的茶叶嫩芽形态的三维重建方法，其特征是包含以下具体 步骤(1)获取茶树中茶叶原始图像；(2)将原始图像去噪和从RGB颜色空间转换到HSI颜色空间，并选取模型中的H和S参 数作为茶叶图像的特征；(3)在图像中选择部分像素点作为种子；(4)基于生长规则对种子区域进行生长，将与茶叶嫩芽种子颜色性质相似的相邻像素 附加在生长区域的种子上，基于合并规则对整幅图像的多个子块进行扫描，对在颜色上相 近，空间上相邻的区域进行合并；(5)完成茶叶嫩芽的分割和对茶叶嫩芽进行特征参数的提取；(6)进行茶叶叶脉曲线模型和茶叶叶形形态模型的计算和与标准的茶叶叶形数据库进 行数据匹配的计算；(7)完成茶叶嫩芽的三维重建。
2.根据权利要求1所述的结合图像和计算模型的茶叶嫩芽形态的三维重建方法，其特 征是在步骤(4)种子区域进行生长中为了表明一个区域与它的邻域区域有很高的相似度， 为每个区域定义一个相似度函数RR1 ,U” =、SimH(Ri) + ε2·SimS(Ri)；其中-剛=^^^;^为f/f中每个区域的色调H分量均值，叉为f/f集合内所有区域的色调分量均值；yt为￠/^中每个区域的饱和度S分量均值，y为巧集合内所有区域的饱和度分量值；Uf =RlUR^KeR,而￡1和ε 2是定义的色调分量和饱和度分量系数。
3.根据权利要求1所述的结合图像和计算模型的茶叶嫩芽形态的三维重建方法，其特 征是在步骤(4)种子区域合并中，对两个区域在颜色上相近、空间上相邻并且其邻域处没 有显著的边缘，则认为是两个可相连的区域，定义颜色距离D。如下其中A和rj分别代表i和j区域中包含的像素个数，兵和巧代表两个区域的颜色均 值，1111表示欧式距离； 定义边缘距离De如下其中Pij表示区域边缘上的像素个数，Xffl和I分别表示边缘两侧的m和η点的位置值。 表示欧式距离。而simS⑷
4.根据权利要求1所述的结合图像和计算模型的茶叶嫩芽形态的三维重建方法，其特 征是在步骤(5)茶叶嫩芽特征参数的提取中包含有嫩芽轮廓、中轴、叶宽，叶长、叶倾角、叶 枝的长度和直径。
5.根据权利要求1所述的结合图像和计算模型的茶叶嫩芽形态的三维重建方法，其特 征是在步骤(6)叶脉曲线模型设计中，采用悬臂梁设计，挠度曲线方程为
6.根据权利要求1所述的结合图像和计算模型的茶叶嫩芽形态的三维重建方法，其特 征是在步骤(6)茶叶叶形形态模型设计中，分为以下几种模型设计(1)茶叶叶片长度(LL)与叶序(N)的关系模型；
全文摘要
本发明涉及图像处理技术领域，公开一种结合图像和计算模型的茶叶嫩芽形态的三维重建方法。首先获取茶叶数码图像，经颜色空间转换后，通过基于颜色和区域生长的改进算法来完成茶叶图像中茶叶嫩芽的分割，通过分割后的茶叶嫩芽图像，计算出嫩芽的三维坐标，并提取各项特征参数，然后根据茶叶叶形的数据模型库进行匹配和计算，结合图像通过VC++最后完成对茶叶嫩芽的三维枝叶重建。试验结果表明，此方法避免了大量的计算且具有很好的视觉效果，能够很好地恢复茶叶嫩芽的三维信息，并且提出的建模方法具有变化性，能对茶叶嫩芽的生长进行模拟。为茶叶的生长监测和无损检测提供了新的方法。
文档编号G06T5/00GK102074012SQ20111002757
公开日2011年5月25日 申请日期2011年1月22日 优先权日2011年1月22日
发明者汪建 申请人:四川农业大学, 汪建