基于激光扫描点云数据的植物叶片三维可视化.doc

可视化效果 为建立黄瓜植株三维模型的可视化提供了基础。关键词 激光扫描; 点云; 可视化; Imageware; OpenGL文章编号 0517-6611( 2011) 32 20239 03中图分类号 TP 311文献标识码 A3-D Visualization of Cucumber Leaf Based on Point Cloud Data Measured by Three-laser ScannerLI Qing-lin et al ( Key Laboratory of Modern Agricu lture Equipment and Technology of Ministry of Edueation，Jiangsu University，Zhenjiang，Jiangsu 212013)Abstract The point clouds data of cucumber leaf measured by three-laser scanner was reduced and the coordinate was conversed by IM- AGEWARE software The visualization simulation of the cucumber leaf was realized by triangulation mesh generating，coloring using OpenGL and VC + ，which will provide foundation for 3-D visualization of cucumber plantKey words Laser scanner; Point cloud; Visualization; Imageware; OpenGL近年来国内外研究者在作物生长模型可视化方面做了大量的研究，如何建立能反映作物形态特征的可视化模型是 研究领域的难点和热点1-2。黄瓜叶是黄瓜最典型的器官之 一，包含了重要的特征信息，黄瓜叶的三维可视化模型是建 立黄瓜植株模型的重要组成部分。现有的黄瓜叶可视化模 型，基本上都是基于计算机图形学的单纯二维模型，周淑秋 等借助粒子系统思想提出了一种基于能量模型的叶片纹理 构造算法，得到了某一生长时期黄瓜叶片的静态二维模 型3，并在此基础上建立了黄瓜生长可视化系统4。二维模 型缺乏真实感，随着三维激光扫描技术的发展，研究者尝试 利用三维数字化仪等方法测定植物形态结构，然后直接利用 所测数据来构造该植物形态结构的模型。如 Ivanovo 等根据 采集的大量数据，建立了玉米冠层三维结构模型5。借助该 模型，研究人员可以从任意角度观察玉米冠层，研究其形态 结构。郭焱等应用高精度三维数字化仪，对不同生长期玉米 冠层的结构进行了精确的测量，在此基础上建立了模拟玉米 静态模型。借助此静态模型分析玉米冠层的三维结构特 征6。扫描整棵植株的形态数据，可以建立黄瓜三维可视化 模型，但是数据处理量大，同时由于黄瓜植株结构较简单，因 此，在建立黄瓜叶片三维可视化模型之后，再建立整株三维 可视化更为合理。笔者利用激光三维扫描系统得到叶片的 三维空间坐标信息，再根据对扫描数据的处理，利用计算机 图形技术，得到黄瓜叶片的三维形态图像，以期为建立黄瓜 整株三维模型的可视化提供研究基础。CIMCORE 的新一代高精度的无限接口柔性三坐标测量系统，最高精度达 0 004 mm，可随时对系统进行快速检验和 校准7。该扫描仪是利用由扫描仪发出一束激光光带，光带 照射到被测物体上并在被测物体上移动时，根据物体表面反 射的激光可以得到物体实际形状的点云。启动测量系统软件，并处于接受数据状态。按住触发 器，激光发射孔发射激光，系统开始接受数据，并在软件中以 直观的点云模型表现出来，并可输出为 IGS 格式以方便后期 处理软件使用。图 1 三维激光扫描系统Fig 1 The system of 3-D laser scanner点云获取 为了得到自然生长状态下黄瓜单个叶片精1 2确、完整的点云数据，并减少点云数据分割的工作量，从盆栽的黄瓜植株中挑选健康的叶片，用浅色纸将叶片和植株隔 开，对叶片进行扫描，得到其点云( 图 2) ，共有 263 507 个数 据点，保存为 IGS 格式以便后续处理。2 点云数据处理1点云模型1 1 测量仪器植物叶的点云模型是利用三维激光扫描系统对叶片进行全方位的扫描，从而得到由三维点云构成的叶片表面模型。为了精确方便的获取叶片的三维数据，采用INFINITE 2 0 三维激光测量系统( 图 1) 。INFINITE 是美国为了从点云数据重建具有真实感的叶子三维形态模型，需要对三维点云进行处理，处理的主要目的是得到合理的点云数据，并将文件格式输出为方便 OpenGL 读入的文件格式。Imageware 软件具有强大的点处理功能，可以很好的处理大规模点云数据，且可以进行三维重建，但是该软件主要用于基金项目国家自然科学基金资助项目( 31071327 ) ; 江苏高校优势学 科建设工程资助项目( 苏财教( 2011) 8 号) 。李青林( 1977- ) ，女，青海西宁人，讲师，从事虚拟作物模型 研究，E-mail: lql ujs edu cn2011-09-26作者简介机械零部件的重建，对植物叶片的三维重建缺乏真实感8。因此采用 Imageware 软件处理激光扫描系统扫描得到的数收稿日期据，再利用 OpenGL 进行重建、着色等处理，从而得到叶片的真实感形态模型，处理流程如图 3 所示。图 2 黄瓜叶点云The point cloud of cucumber leafFig 2( B) ，缩减后的数据点共为 10 780; 所示旋转点云，由于扫描得到点云的坐标系和叶片本身的集合特征不一致，为了后续工作的顺利进行，将点云的坐标进行旋转，保证点云空间信息中的坐标是直角坐标系，旋转后的点云如图 4( C) 所示并将数据点保存为 asc 文件，可以用记事本打开，也方便OpenGL 的读入。3 三维可视化经过数据预处理后获得的点云数据，不能完美的表现叶片的真实效果，利用点云构建三角网格是一种常用的方法建网后的模型可以很好的逼近实物的表面，而且具有很好的图 3 数据处理流程Fig 3 The data processing flowchart在 Imageware 中点云的处理过程为: 将扫描好的点云 数据导入到 Imageware 中，查看点云信息，观察点云形状; 对点云进行判断去除噪声点; 精简点云数据，扫描得到的 数据量很大，为了在保持特征数据的同时减小 OpenGL 中数 据处理的工作量，对点云数据进行精简，处理后的点云如图 4几何准确性，但为了满足可视化的需要，必须对几何模型赋以颜色从而绘制成具有色彩真实感的三维模型。将现实世界中的物体显示到计算机二维屏幕上需要一系列复杂的过程，在 OpenGL 中，所有的几何体都是由若干个有序的顶点集合来描述，而不是将线段、多边形组合起来构造物体。在Visual C + + 6 0 的开发平台下，实现由数据点到叶表面的三维重建。图 4 点云的处理过程Fig 4 The process of dealing with point cloud3 1 应用接口建立 在 Visual C + + 中应用 OpenGL 建立应用程序 WinAPI 与 OpenGL 库文件之间的联系，并加入库 文件 opengl32 lib、glu32 lib 和 glaux lib，在由 MFCApplication Wizard 生成的视图类的头文件中加入 gl h、glu h 和 glaux h。 应用程序即可调用 OpenGL 提供的数据类型和函数。另外还需设置像素格式和着色描述表: 首先设置像素格式，再创建绘图描述表 RC( Render Context，又称渲染描述表) ，只有建立RC 后，OpenGL 才能调用绘图函数在命令窗口中绘出图形。3 2 可视化处理3 2 1点云特征点提取。几何特征是几何造型的关键要渲染处理。植物叶主要由叶脉和叶肉组成，正常黄瓜叶片的叶脉颜色和叶肉颜色虽然都是绿色，但深浅存在差异，从叶片的照片提取叶脉和叶肉的颜色，通过 OpenGL 为叶脉和叶肉着色，得到的图形如图 6 所示。4结语以黄瓜叶片为研究对象，使用三维激光扫描系统对其进行扫描，得到点云数据，再使用 imageware 软件对其点云进行处理，最终得到包含点云直角坐标信息并方便 OpenGL 读入 的文件格式，在 OpenGL 中进行三维重建，然后运用着色技术 实现了单个叶片的三维可视化，达到了较逼真的可视化效 果，为建立黄瓜植株三维模型的可视化提供了基础。 参考文献1GODIN C，SINOQUET H Functional-structural plant modelingJ NewPhytologist，2005，166( 3) : 705 7082陆声链，郭新宇，赵春江，等 农作物生长模拟三维场景整合平台设计J 农业机械学报，2010，41( 12) : 153 1593雷蕾，郭新宇，周淑秋 基于粒子系统思想的叶片纹理构造J 计算机 工程与应用，2004( 36) : 218 2194周淑秋，郭新宇，蕾蕾 黄瓜生长可视化系统的设计与实现J 计算机 技术与发展，2007，17( 1) : 227 2295IVANOV N，BOISSARD P，CHAPRON M，et al Computer stereo plottingfor 3-D reconstruction of a maize canopyJ Agric For Meteorl，1995，75:85 1026郭焱，李保国 玉米冠层的数学描述与三维重建研究J 应用生态学 报，1999，10( 1) : 39 417海克斯康测量技术有限公司 INFINITE 2 0 培训手册K 20088彭燕军，王霜，彭小欧 UG、Imageware 在逆向工程三维模型重构中的应 用研究J 机械设计与制造，2011( 5) : 85 889林成辉，鞠鲁粤，应成勇 基于逆向工程的点云采集与曲面重构J 现 代机械，2009( 1) : 18 2010余杰，吕品，郑昌文 Delaunay 三角网格构建办法比较研究J 中国 图象图形学报，2010，15( 8) : 1158 116811ERTEN H，UNGOR A Triangulations with locally optional steiner pointsC/ / Proceedings of the 5th Eurographics Symposion on Geometry Pro- cessing Aire-la-Ville Switzerland: Eurographics Associatiom，2007: 143 152图 5 三角化网格Fig 5 The triangle meshing of the leaf图 6 叶片可视化结果Fig 6 Visualization of the leafDelaunay 三角网格化算法被认为是一种较好的三角网 格算法10，为了让植物叶模型产生较为均匀的网格，数据点檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪( 上接第 20227 页)发展过程中关键。为保证与实际不脱节，必须紧紧依靠起点 的分析，定位于帮助认识自身需求、选择合适的技术和工具、 帮助形成有效的方法及能力，从而促进“内在生长力”的形 成，积极投入到农村信息化发展建设中。参考文献1李晋奇 加强农村商贸流通领域信息化建设N 中国电子报，2010 09 172郭永田 我国农村信息化发展进入新阶段J 电子政务，2009( 5) : 99 1043杨成洲，余璇，何树燕 对加快我国农业和农村信息化建设的整体思考J 农业经济，2009( 3) : 3 54