基于多角度图像的水稻稻谷几何建模方法研究

青克乐其其格,郭新宇,肖伯祥,温维亮

(1.国家农业信息化工程技术研究中心,北京100097 2.首都师范大学 信息工程学院,北京 100048))

基于多角度图像的水稻稻谷几何建模方法研究

青克乐其其格1,2,郭新宇1,肖伯祥1,温维亮1

(1.国家农业信息化工程技术研究中心,北京100097 2.首都师范大学 信息工程学院,北京 100048))

为实现水稻稻谷的几何建模和真实感显示,本文提出了一种基于多角度图像的稻谷三维形态建模方法。利用数字视频显微镜采集稻谷的显微图像,提取稻谷图像边缘点的二维形态特征参数;通过几何变换将二维参数转换成三维形态特征参数;最后,用B样条曲线曲面拟合的方法实现了水稻稻谷的三维重建,并使用纹理贴图和光照处理来增强真实感。结果表明,本方法重建的稻谷具有较强的真实感,为稻麦谷粒的可视化仿真提供了可行的方法。

水稻谷粒;图像;三维建模;几何变换

1 引言

植物的三维形态特征直接反应了其遗传特性和对环境的适应结果,实现植物三维形态的精细重建和真实感显示具有重要意义。水稻是世界上最重要的粮食作物之一。近年来,国内外学者越来越关注水稻结构形态的可视化仿真研究[2-5]。稻谷是水稻的主要组成部分之一,由于水稻稻谷体积较小,不易获取和测量其几何形态特征,在以往的水稻可视化建模过程中经常对其形状进行简化处理。孙爱珍等[6]和杨红云等[7]用2个共底面圆锥体来描述水稻的稻谷,伍艳莲[8]等用一个椭球体来模拟小穗上的稻谷。由于对稻谷的几何形态进行了过度简化处理,不能准确地体现稻谷的形状特征。Ogawa[1]等用切片的方法重建了水稻稻谷模型,但是这种方法对实验设备的要求较高,不易获取观测数据。

由于水稻稻谷的体积较小,用三维扫描仪只能获得一些杂乱无章的特征点或点云数据,不能高效快捷的实现稻谷的三维建模。对此,本文获取稻谷多角度图像的基础上提出一种基于图像的稻谷三维形态简易建模方法。

2 水稻稻谷二维形态参数提取及图像获取方法

水稻稻谷由稻壳和果实组成,稻壳包裹着果实,一般为椭圆形(见图1)。假设稻谷横切面(见图1(B))的中心在坐标原点,用直线连接6个棱与坐标原点,通过测量发现这6条连线之间的夹角为60°左右。本文认为水稻稻谷形状是由六个棱的形态所决定的。

本文采集了镇稻88的蜡熟期和完熟期的显微图像,结合稻谷形状特征提出了旋转固定角度—采集平面图像的图像测量方法。

通过数字视频显微镜(Digital video Microscope)可以采集到水稻稻谷的显微图像。但是用数字视频显微镜观察到的是稻谷的二维图像,需要对其进行相关处理,转换成三维数据。在数字视频显微镜下调整好角度,我们可以观察到水稻稻谷的一个面(有四个棱,见图1(A)),用线代表能够观察到的四个棱,假设看到的是线1、线2、线3和线5(图2中的实线)。绕x轴逆时针方向旋转60°后,所观察到的是线6、线1、线3和线5。

假设水稻稻谷的中心点在原点。采集平面图像的步骤如下:首先,采集稻谷的正面(可以观察到谷粒的四个棱)照片,然后把稻谷旋转60°后再采集一次图像,再旋转60°后再采集一次图像,在旋转的过程中不能移动稻谷(这样保证了每次旋转之后稻谷的两端点,也就是六条线交点的坐标不变)。

图2 水稻稻谷绕x轴旋转的示意图

3 水稻稻谷数据转换

获取不同角度的稻谷二维数据后,要把二维数据转换成三维数据。第一次是旋转了60°,通过绕x轴旋转60°即可对当前边缘点坐标进行从二维到三维的变换。转换公式为:

第二次是在第一次绕旋转60°的基础上再绕x轴旋转60°,也就是共绕 x轴旋转120°,计算公式为

可以用图像处理软件(如Photoshop,Fireworks,ACD see等图像处理软件)在三次采集的图像上获取其边缘点的二维坐标。整个采集图像过程和数据处理过程可以用图3来表示。

4 稻谷的几何建模

水稻稻谷的形状主要由六条曲线所决定,获得六条曲线上点的三维坐标后,可以用曲面拟合的方法表示稻谷的形状。由于B样条曲线曲面具有形状控制直观、局部性状特征。k次B样条曲线方程定义如下:

其中di(i=0,1,…,n)成为B样条曲线控制顶点,其顺序连成的折线成为B样条控制多边形,U=[u0,u1,…,un+k+1](u0≤u1≤…≤un+k+1)称为节点矢量,Bi,k(u)(i=0,1,…,n)称为k次规范B样条基函数。它是由节点矢量所决定的k次分段多项式。k次规范B样条基函数的递归定义如下:

图3 谷粒的图像采集和数据处理全过程的示意图

本文采用三次均匀B样条曲线拟合这六条曲线,再用B样条曲面拟合稻谷的三维形态。图4为稻谷模型的线框图。

图4 水稻谷粒模型的线框图

稻谷外壳上长有绒毛,可以用多种方法生成绒毛,为了同一数学表示方法,本文用B样条曲线近似表示稻谷上的绒毛。建立了水稻稻谷的几何模型后,再用之前采集的显微图像对模型进行纹理贴图,同时添加光照,可获得真实感很强的稻谷三维模型。

5 实验结果

本文用DM-220-XY数字视频显微镜(Digital video Microscope)采集镇稻88稻谷的不同角度的显微图像,用Adobe Photoshop cs4获取稻谷边缘二维数据。水稻稻谷的三维重建是在Windows平台上,以Visual C++2005为开发工具,以OpenGL为图形平台实现的。图5为不同时期水稻稻谷三维模型。实验结果表明用本文提出的方法建立的稻谷三维模型能够很好地表示水稻稻谷的形状特征,模型具有较强的真实感。

6 结论

本文提出了一种基于多角度图像的获取水稻稻谷三维数据的方法,在此基础上建立了稻谷三维几何模型。首先用数字视频显微镜采集水稻稻谷多角度显微图像,然后通过几何变换将二维数据转换成三维数据,获取三维数据的基础上用曲线曲面拟合技术重建稻谷三维模型,并用纹理贴图和光照处理等技术加强了模型的真实感。

图5 不同时期水稻稻谷三维模型

[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.

[2]刘晓东,曹云飞,刘国荣等.基于NURBS曲面的水稻叶形态建模[J].微电子学与计算机,2004,(9):117-124.

[3]孙爱珍,杨红云,何火娇,等.水稻叶片三维可视化建模[J].安徽农业科学,2008,36(4):1320-1321,1423.

[4]杨红云,罗威,何火娇,等.水稻主茎三维形态建模与计算机模拟[J].江西农业大学学报,2008,30(6):1153-1160.

[5]刘桃菊,唐建军等.水稻形态的分形特征及其可视化模拟研究[J].江西农业大学学报,2002,2 4(5):583-586.

[6]孙爱珍,杨红云,何火娇,等.水稻稻穗形态建模及其可视化研究[J].计算机应用与软件,2009,26(5):96-97.

[7]杨红云,孙爱珍,何火娇,等.水稻稻穗可视化模拟研究及其实现[J].安徽农业科学,2008,36(5):1732-1733.

[8]伍艳莲,汤亮,刘小军,等.基于形态特征参数的稻穗几何建模及可视化研究[J],中国农业科学,2009,42(4):1190-1196.

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

中国高技术研发计划(NO.2007AA10Z224),北京市自然科学基金(NO.4081001)

青克乐其其格(1983-),女(蒙族),内蒙古鄂尔多斯市人,硕士研究生.

(责任编辑

:龙学锋)