专利名称：植物器官点云的分割方法和系统的制作方法
植物器官点云的分割方法和系统
技术领域：
本发明涉及点云处理领域，特别涉及一种植物器官点云的分割方法和系统。
背景技术：
为了监测了量化植物生长事件，例如植物器官(例如枝干、叶片等)的出现和凋零等事件，需在植物的整个生命周期不断的获取植物的四维点云，并将四维点云按照植物器官进行分割，以得到各个植物器官的状态数据，进而对各个植物器官进行量化分析。传统的方法根据植物的几何结构(例如叶片的卷曲结构)、体积以及拓扑结构(例如枝干分支结构)等对植物点云进行分割，以求将植物点云分割为各个独立的植物器官。但是，植物在其生命周期内不但缓慢而持续地生长或衰败，而且还可能因为寻求更有利的生存环境等原因而不停地运动，因此，植物的几何结构、体积以及拓扑结构都会发生巨大的变化。从而，传统的方法在对植物点云按照植物器官进行分割时存在误差。
发明内容基于此，有必要提供一种能提高分割准确性的植物器官点云的分割方法和系统。—种植物器官点云的分割方法,包括以下步骤S120 S160:S120:获取被监测植物的多个植物生长时间对应的点云帧，按照对应的植物生长时间的先后顺序记获取的多个点云帧为F1，…，Ft,…，Fn;S140:根据 第一点云帧F1中数据点的平坦性特征将第一点云帧F1中的点云分割为叶片点云块和枝干点云块；S160:按照对应的植物生长时间的先后顺序依次将第一点云帧之后的点云帧F2至Fn中的点云分割为叶片点云块和枝干点云块，其中，将某一个点云帧Ft (2 ( t ( η)中的点云分割为叶片点云块和枝干点云块包括以下步骤S220 S280:S220:根据Ft的前一点云帧Fw中叶片点云块和枝干点云块的信息以及Ft的数据点的平坦性特征将Ft中的点云分割为叶片点云块和枝干点云块；S240:判断Ft所包含的枝干点云块数量是否多于Fw所包含的枝干点云块数量或者Ft所包含的叶片点云块数量是否多于Fw包含的叶片点云块数量，若否，则执行步骤S260，若是，则执行步骤S280 ；S260:当t < η时则进入到将Ft的下一个点云帧Ft+1中的点云分割为叶片点云块和枝干点云块的步骤，当t=n时结束；S280:往前回溯依次重新分割Ft前面的点云帧中的点云，直到重新分割后的点云帧的叶片点云块和枝干点云块的数量没有增加，则停止回溯并进入到将Ft的下一个点云帧Ft+1中的点云分割为叶片点云块和枝干点云块的步骤，其中，重新分割Ft前面的某一个点云中贞F.3 (I彡j彡t-Ι)中的点云包括以下步骤:S282:根据Fj的后一点云帧Fj+1中叶片点云块和枝干点云块的信息以及Fj的数据点的平坦性特征将户中的点云分割为叶片点云块和枝干点云块。
在其中一个实施例中，将上述步骤S220中的Ft记为待分割点云帧、Fw记为待分割点云帧的相邻点云帧，上述步骤S282中的户记为待分割点云帧、FJ+1记为待分割点云帧的相邻点云帧，则上述根待分割点云巾贞的相邻点云巾贞中叶片点云块和枝干点云块的信息以及待分割点云帧的数据点的平坦性特征将待分割点云帧中的点云分割为叶片点云块和枝干点云块的步骤包括以下步骤S310 S360:S310:根据待分割点云帧的相邻点云帧中叶片点云块和枝干点云块的信息以及待分割点云帧的数据点的平坦性特征将待分割点云帧中的数据点分类为叶片点或枝干点；S320:聚合待分割点云帧中连通的叶片点构成叶片点云块；S330:建立待分割点云帧中枝干点的最小生成树，将最小生成树分割成不包含分叉枝干的独立分支，将待分割点z 巾贞中的枝干点映射到各独立分支上，形成各 个枝干点z 块，一个独立分支对应一个枝干点云块；S340:查找待分割点云帧和相邻点云帧中每一个叶片点云块和枝干点云块对应的与自身重叠数据点最多的点云块，并标记该对应的点云块，提取待分割点云帧和相邻点云帧中被标记次数小于2的叶片点云块和枝干点云块；S350:将待分割点云帧中的所述叶片点分类到提取的各个叶片点云块对应的类别上，将属于同一类别的叶片点构成待分割点云帧中的一个叶片点云块；S360:将待分割点云帧中的所述枝干点分类到提取的各个枝干点云块对应的类别上，将属于同一类别的枝干点构成待分割点云帧中的一个枝干点云块。在其中一个实施例中，步骤S310包括以下步骤:S410:求解使得目标能量函数达到最小的分类函数，该目标能量函数为关于分类函数的函数，其函数值表示分类代价，该分类函数为将待分割点云帧的数据点分类为叶片点和枝干点的分类函数；记待分割点云帧中数据点集合为Pt=(Pt)，植物器官数据点类别集合为{L，S},其中L代表叶片点类别、S代表枝干点类别，fB为将Pt映射到集合{L，S}的分类函数，所述目标能量函数如下:
权利要求
1.一种植物器官点云的分割方法,包括以下步骤S120 S160: S120:获取被监测植物的多个植物生长时间对应的点云帧，按照对应的植物生长时间的先后顺序记获取的多个点云帧为F1，-,Ft, -,Fn5 S140:根据第一点云帧F1中数据点的平坦性特征将第一点云帧F1中的点云分割为叶片点云块和枝干点云块； S160:按照对应的植物生长时间的先后顺序依次将第一点云帧之后的点云帧F2至Fn*的点云分割为叶片点云块和枝干点云块，其中，将某一个点云帧Ft (2 ^n)中的点云分割为叶片点云块和枝干点云块包括以下步骤S220 S280: S220:根据Ft的前一点云巾贞Fw中叶片点云块和枝干点云块的信息以及Ft的数据点的平坦性特征将Ft中的点云分割为叶片点云块和枝干点云块； S240:判断Ft所包含的枝干点云块数量是否多于Fm所包含的枝干点云块数量或者Ft所包含的叶片点云块数量是否多于Fw包含的叶片点云块数量，若否，则执行步骤S260，若是，则执行步骤S280 ； S260:当t < η时则进入到将Ft的下一个点云帧Ft+1中的点云分割为叶片点云块和枝干点云块的步骤，当t=n时结束； S280:往前回溯依次重新分割Ft前面的点云帧中的点云，直到重新分割后的点云帧的叶片点云块和枝干点云块的数量没有增加，则停止回溯并进入到将Ft的下一个点云帧Ft+1中的点云分割为叶片点云块和枝干点云块的步骤，其中，重新分割Ft前面的某一个点云帧Fj (I彡j彡t-Ι)中的点云包括以下步骤: S282:根据户的后一点云 帧户+1中叶片点云块和枝干点云块的信息以及户的数据点的平坦性特征将户中的点云分割为叶片点云块和枝干点云块。
2.根据权利要求1所述的植物器官点云的分割方法，其特征在于，将上述步骤S220中的Ft记为待分割点云帧、Fw记为待分割点云帧的相邻点云帧，上述步骤S282中的户记为待分割点云帧、FJ+1记为待分割点云帧的相邻点云帧，则 上述根据待分割点云帧的相邻点云帧中叶片点云块和枝干点云块的信息以及待分割点云帧的数据点的平坦性特征将待分割点云帧中的点云分割为叶片点云块和枝干点云块的步骤包括以下步骤S310 S360: S310:根据待分割点云帧的相邻点云帧中叶片点云块和枝干点云块的信息以及待分割点云帧的数据点的平坦性特征将待分割点云帧中的数据点分类为叶片点或枝干点； S320:聚合待分割点云帧中连通的叶片点构成叶片点云块； S330:建立待分割点云帧中枝干点的最小生成树，将最小生成树分割成不包含分叉枝干的独立分支，将待分割点z 巾贞中的枝干点映射到各独立分支上，形成各个枝干点z 块，一个独立分支对应一个枝干点云块； S340:查找待分割点云帧和相邻点云帧中每一个叶片点云块和枝干点云块对应的与自身重叠数据点最多的点云块，并标记该对应的点云块，提取待分割点云帧和相邻点云帧中被标记次数小于2的叶片点云块和枝干点云块； S350:将待分割点云帧中的所述叶片点分类到提取的各个叶片点云块对应的类别上，将属于同一类别的叶片点构成待分割点云帧中的一个叶片点云块； S360:将待分割点云帧中的所述枝干点分类到提取的各个枝干点云块对应的类别上，将属于同一类别的枝干点构成待分割点云巾贞中的一个枝干点云块。
3.根据权利要求2所述的植物器官点云的分割方法，其特征在于，步骤S310包括以下步骤: S410:求解使得目标能量函数达到最小的分类函数，该目标能量函数为关于分类函数的函数，其函数值表示分类代价，该分类函数为将待分割点云帧的数据点分类为叶片点和枝干点的分类函数； 记待分割点云帧中数据点集合为Pt=IptK植物器官数据点类别集合为{L，S}，其中L代表叶片点类别、S代表枝干点类别，fB为将Pt映射到集合{L，，S}的分类函数，所述目标能量函数如下:
4.根据权利要求3所述的植物器官点云的分割方法，其特征在于，记所述提取的各个叶片点云块的对应类别分别为L1, L2, , Lm, LP为待分割点云帧中的叶片点集合，fL()为将LP映射到IL1, L2,, LJ的叶片分类函数； 步骤S350将待分割点云帧中的所述叶片点分类到提取的各个叶片点云块对应的类别上的步骤为:求解使得如下叶片分类代价函数E (fj达到最小的叶片点分类函数40，将待分割点云帧中的叶片点按照求解得到的叶片点分类函数分类到提取的各个叶片点云块对应的类别上
5.根据权利要求3所述的植物器官点云的分割方法，其特征在于，记所述提取的各个枝干点云块的对应类别分别为S1, S2,, Sn, SP为待分割点云巾贞中的枝干点集合,fs O为将SP映射到{Si，S2,, SJ的枝干分类函数； 步骤S360将待分割点云帧中的所述枝干点分类到提取的各个枝干点云块对应的类别上的步骤为:求解使得如下枝干分类代价函数E (fs)达到最小的枝干点分类函数fs O，将待分割点云帧中的枝干点按照求解得到的枝干点分类函数fs()分类到提取的各个枝干点云块对应的类别上:
6.根据权利要求3所述的植物器官点云的分割方法，其特征在于，将第一点云帧F1作为待分割点云帧，步骤S140可按照步骤S410、S420、S320和S330将第一点云帧F1中的点云分割为叶片点云块和枝干点云块，计算过程中，1VG)和Dpf(S)的计算适用I (L1) |=0和I {SJ I=O的情况。
7.一种植物器官点云的分割系统，其特征在于，包括: 点云帧获取模块，用于获取被监测植物的多个植物生长时间对应的点云帧，按照对应的植物生长时间的先后顺序记获取的多个点云帧为F1，-,Ft, -,Fn5 第一点云帧分割模块，用于根据第一点云帧F1中数据点的平坦性特征将第一点云帧F1中的点云分割为叶片点云块和枝干点云块； 调度模块，用于在第一点云帧之后的点云帧户至？11中按照对应的植物生长时间的先后顺序依次取Ft (2彡t彡η)，将Ft做为待分割点云帧、Ft的前一点云帧Fw做为待分割点云帧的相邻点云帧传递给点云分割模块并启动点云分割模块； 点云分割模块，用于根据待分割点云巾贞的相邻点云巾贞中叶片点云块和枝干点云块的信息以及待分割点云帧的数据点的平坦性特征将待分割点云帧中的点云分割为叶片点云块和枝干点云块； 判断模块，用于在点云分割模块分割Ft后判断Ft所包含的枝干点云块数量是否多于Fw所包含的枝干点云块数量或者Ft所包含的叶片点云块数量是否多于Fw包含的叶片点云块数量，若否，则当t < η时，通知调度模块调度点云分割模块，以将Ft的下一个点云帧Ft+1中的点云分割为叶片点云块和枝干点云块，当t=n时结束，若是，则调度回溯控制模块；回溯控制模块，用于在Fw至F1中按照对应的植物生长时间的倒序顺序依次取Fj(I ^ j ^ t-1)，将户做为待分割点云帧、户的后一点云帧户+1做为待分割点云帧的相邻点云帧传递给点云分割模块并启动点云分割模块，以重新分割Ft前面的点云帧中的点云，直到重新分割后的点云帧户的叶片点云块和枝干点云块的数量没有增加，则停止启动点云分割模块并通知调度模块调度点云分割模块，以将Ft的下一个点云帧Ft+1中的点云分割为叶片点云块和枝干点云块。
8.根据权利要求7所述的植物器官点云的分割系统,其特征在于,所述点云分割模块包括: 数据点分类模块，用于根据待分割点云巾贞的相邻点云巾贞中叶片点云块和枝干点云块的信息以及待分割点云帧的数据点的平坦性特征将待分割点云帧中的数据点分类为叶片点或枝干点； 叶片点云块聚合模块，用于聚合待分割点云帧中连通的叶片点构成叶片点云块； 枝干点云块聚合模块，建立待分割点云帧中枝干点的最小生成树，将最小生成树分割成不包含分叉枝干的独立分支，将待分割点z 巾贞中的枝干点映射到各独立分支上，形成各个枝干点云块，一个独立分支对应一个枝干点云块； 独立器官点云块提取模块，用于查找待分割点云巾贞和相邻点云巾贞中每一个叶片点云块和枝干点云块对应 的与自身重叠数据点最多的点云块，并标记该对应的点云块，提取待分割点云帧和相邻点云帧中被标记次数小于2的叶片点云块和枝干点云块； 叶片点云块重分割模块，用于将待分割点云帧中的所述叶片点分类到提取的各个叶片点云块对应的类别上，将属于同一类别的叶片点构成待分割点云帧中的一个叶片点云块； 枝干点云块重分割模块，用于将待分割点云帧中的所述枝干点分类到提取的各个枝干点云块对应的类别上，将属于同一类别的枝干点构成待分割点云帧中的一个枝干点云块。
9.根据权利要求8所述的植物器官点云的分割系统，其特征在于，所述数据点分类模块包括: 分类函数求解单元，用于求解使得目标能量函数达到最小的分类函数，该目标能量函数为关于分类函数的函数，其函数值表示分类代价，该分类函数为将待分割点云巾贞的数据点分类为叶片点和枝干点的分类函数； 记待分割点云帧中数据点集合为Pt=(Pt)，植物器官数据点类别集合为{L，S}，其中L代表叶片点类别、S代表枝干点类别，fB为将Pt映射到集合{L，S}的分类函数，所述目标能量函数如下: E(/s)= ^ Dp^if3(Pt))+ I iv.gr(/s(r),/3(r)) PtEPtPriQtENpt 其中: (O Dpt(fBCpi))表示将Pt数据点分类为fB(Pt)的代价， D = CmoxCfl(Pi) — R(LiJtO)若 _ }| ^ OJLKSs }i ^ O pt ~ (R(Pt)- 4若丨{L』=0丨或丨(Ss }卜0 D = (-nmx(R(Ss,) — Cr),O),若 1 }1 ^ O且Ps }i ^ O ρΓ ' ~ R(Pt),若}| = 0或|払}i = 0D切即为fB (Pt) =L的代价，DpT(S)即为fB (Pt) =S的代价， R(Pt)为Pt的平坦性特征，R(Pt) =1g(max(C(Pt)，cE))，cE为预设的大于O而小于1/3的常量，C (Pt)为Pt的曲率特征，C (Pt) = X1/(A1+λ 2+λ 3)，其中λ”入2和λ 3是对Pt的邻域点进行主成份分析得到的特征值，X1彡入2且X1SX3; {LJ为相邻点云帧中叶片点云块的集合，I IL1I I为{LJ元素的个数，LwS {LJ中与Pt距离最近的叶片点云块，R(Lw)为Lw中的数据点的平坦性特征的平均值；{SJ为相邻点云帧中枝干点云块的集合，I {Ss} I为{SJ元素的个数，Ss*为{Ss}中与Pt距离最近的枝干点云块，R(Ss*)为Ss*中的数据点的平坦性特征的平均值；
10.根据权利要求9所述的植物器官点云的分割系统，其特征在于，记所述提取的各个叶片点云块的对应类别分别为L1, L2,, Lm, LP为待分割点云帧中的叶片点集合，40为将LP映射到IL1, L2, , LJ的叶片分类函数； 叶片点云块重分割模块用于求解使得如下叶片分类代价函数E (4)达到最小的叶片点分类函数40将待分割点云帧中的叶片点按照求解得到的叶片点分类函数40分类到提取的各个叶片点云块对应的类别上
11.根据权利要求9所述的植物器官点云的分割系统，其特征在于，记所述提取的各个枝干点z 块的对应类别分别为S1, S2, , Sn, SP为待分割点z 巾贞中的枝干点集合，fs O为将SP映射到{Si，S2,, SJ的枝干分类函数， 枝干点云块重分割模块用于求解使得如下枝干分类代价函数E (fs)达到最小的枝干点分类函数fs()，将待分割点云帧中的枝干点按照求解得到的枝干点分类函数fs()分类到提取的各个枝干点云块对应的类别上:
12.根据权利要求9所述的植物器官点云的分割系统,其特征在于,第一点云巾贞分割模块用于将第一点云帧F1作为待分割点云帧，按照所述分类函数求解单元和分类单元的处理过程将F1的数据点分类为叶片点或枝干点，并按照叶片点云块聚合模块和枝干点云块聚合模块的处理过程将F1中的点云分割为叶片点云块和枝干点云块，按照所述分类函数求解单元的处理过程求解分类函数时，Dy(L)和1V(S)的计算适用I (L1) |=0和I {SJ |=0的情况。
全文摘要
一种植物器官点云的分割方法和系统，根据待分割点云帧的前一相邻点云帧中叶片点块和枝干点云块的信息以及待分割点云帧的数据点的平坦性特征，将待分割点云帧的点云分割为叶片点块和枝干点云块，以相邻点云帧作为参照对点云帧进行分割，有利于分割出的器官在相邻点云帧之间保持时空一致性，提高植物器官分割的准确性。当发现新的叶片点云块或枝干点云块时，往前回溯重新分割待分割点云块前面的点云帧中的点云，重新分割时根据后一相邻点云帧中的叶片点云块和枝干点云块的信息分割待重新分割的点云帧，回溯过程中的重新分割有利于在点云帧中提取出新的在前面的分割过程中未被发现的叶片点云块或枝干点云块，从而进一步提高植物器官分割的准确性。
文档编号G06T7/00GK103218817SQ20131013837
公开日2013年7月24日 申请日期2013年4月19日 优先权日2013年4月19日
发明者李扬彦, 陈宝权, 范晓晨 申请人:深圳先进技术研究院