随看现代农业工程技术的快速发展,农业物料生长姿态、颜色等表面形貌的三维重建具有广阔的应用前景。本研究以农业物料(仙人掌模型,黄豆)的表面形貌为研究对象,组建一套三维激光轮廓扫描实验装置,获取农业物料全表面点云的三维坐标,基于三角面片化和颜色渲染实现农业物料表面形貌的三维重建。具体研究内容如下:将激光轮廓扫描器与电动平移台及其控制器组装成三维激光轮廓扫描实验装置并编写控制软件。其中,激光轮廓扫描器通过网线以192.168.0.x的内网IP地址与PC机相连;电动平移台及其控制器通过RS485串口转USB 口连接PC机,设置其工作参数和运行参数,控制平移台沿Y轴单步位移;在三维激光轮廓扫描控制软件中,设置激光强度和曝光时间以及X轴、Z轴的坐标区间。为了消除实验装置的系统误差,对长、宽、高尺寸分别为30mm、9mm、4mm的标准块进行三维轮廓扫描以校准三维坐标轴,方法是:(1)在RF620 Setup Program中反复调整Angle参数以确定X轴的偏移角,实现X轴与平移台的平行校准;(2)沿X轴寻找标准块上、下平面的线点云在Z轴上的突变处,其两侧点云的X轴坐标值之差为标准块的扫描宽度AX,由此计算Y轴的偏移角为arccos(9/AX),实现Y轴与X轴的垂直校准;(3)在Z轴突变处去除附近若干点云噪声,分别基于标准块上、下平面线点云的Z轴坐标均值和标准差计算标准块的扫描高度AZ,由此计算Z轴的偏移角为arccos(4/AZ),实现Z轴与平移台的垂直校准。最后,将农业物料固定于立方体框架中进行多视角三维轮廓扫描,基于旋转匹配、坐标变换和拼接技术获得农业物料全表面点云的三维坐标。以农业物料全表面点云中任一点为起点,基于三角形生长算法形成一个Delaunay三角形,该三角形具有空外接圆、凸多边形外壳和最大角度的性质,对每个点及其附近点云进行拓扑连接,直至所有的点与点连接成一个三角面。遍历每个点之后必然存在重复连接和误连接现象,少量尺寸超大的噪声三角形并不属于农业物料的表面,以所有三角形外接圆半径的均值为阈值去除误连接,准确获取农业物料全表面点云的三角面片。对农业物料表面三角面片面积求和,获取农业物料全表面面积;将三角面片沿Z轴投影形成多个三棱体,求取三角面片的平面方程,对三棱体体积求和,获取农业物料体积:对农业物料外轮廓X、Z轴线点云进行二次多项式拟合,用线点云Z轴的平均误差对农业物料形态进行分类。用5mm焦距的相机采集农业物料的二维彩色图像,对其进行二值化图像处理,获取黑背景下农业物料的二维彩色图像。将农业物料表面点云的三维坐标沿X轴方向投影获取二维点云图,针对二维点云图和彩色图像的边界进行旋转变换,将彩色图像旋转变换至相关性最高的角度。将二维点云图中的世界坐标与二维彩色图像中的像素坐标进行映射,寻找二维点云与二维图像像素的对应关系,获取三角形顶点的颜色信息,以三角形顶点颜色的均值为该三角面片的渲染色,实现农业物料全表面的颜色渲染,进一步用灰度对农业物料色泽进行分类。