一种基于多视角轮廓图重建的蜜柚纵横径测量方法

摘要

本发明公开了一种基于多视角轮廓图重建的蜜柚纵横径测量方法。方法包括：利用搭建的图像采集系统不断迭代采集的蜜柚原图像，经过边缘检测、连通域标记、最大连通域求取、坐标空间转换后，得到蜜柚多视角轮廓图，最后对该轮廓图进行等间隔面切分及等间隔纬线拟合获得该蜜柚的横径，通过拟合等间隔纬线的圆心并判别后得到蜜柚纵径。本发明能够避免对于蜜柚的损伤，做到省时省力；同时利用多视角轮廓图可以进一步解决基于单张图像测量蜜柚纵横径受采集视角影响的局限性，从而为蜜柚在外部品质分级方面提供更加科学客观的纵横径果形参数。

说明书

技术领域

本发明涉及一种蜜柚纵横径测量方法，尤其是涉及一种基于多视角轮廓图重建的蜜柚纵横径测量方法。

背景技术

我国是世界上柚种植面积最大的国家，产量居世界第一。果形特征检测可以实现对水果外部品质进行分级，剔除畸形果。蜜柚的纵径及横径是果形的重要参数之一(GB/T12947-2008鲜柑橘)，同时也是蜜柚外部品质分级的重要依据。传统人工测量方式耗时耗力，主观影响因素多，利用图像处理技术通过多视角轮廓重建测量蜜柚的纵横径，具有非接触、快速、无损等优势，对于蜜柚的外部品质分级具有重要的实际应用价值。

蜜柚纵横径尺寸的获取需要对蜜柚进行纵剖与横剖后测量，但该方法不仅会对蜜柚造成不可逆转的损伤，也无法满足蜜柚外部品质分级生产过程中无损快速的需求。

章文英等(2001)(章文英,应义斌.苹果图像的低层处理及尺寸检测[J].浙江农业学报,2001(04):38-41.)利用链符法搜索并细化轮廓线后，利用最小外接矩形求苹果的纵径与横径，结果显示测量尺寸与实际尺寸相关系数达到了0.955。

魏新华等(2011)(沈宝国,魏新华,尹建军.基于最小外接圆法的苹果直径检测技术[J].农机化研究,2011,33(12):131-134.)对12个样本苹果采集了144幅图像，利用最小外接圆法测量苹果直径，拟合方程的相关系数达到了0.988。

龚昌来等(2013)(龚昌来,罗聪,黄杰贤,杨冬涛.基于机器视觉的柚子尺寸检测系统的研究[J].农机化研究,2013,35(11):22-25)利用单个彩色相机采集单幅柚果的整理图像，经过图像预处理后获得目标图像，采用逐行扫描的方式得到最上、最下、最左、最右四个边界点，利用机器视觉球状物体检测误差原理修正后得到横径的平均相对误差为2.43％，纵径的平均相对误差为2.30％。

杨耀民(2016)(杨耀民.基于多轮廓图的马铃薯三维表面重建方法研究[D].浙江大学,2016.)利用多幅马铃薯不同姿态下的轮廓图合成了马铃薯三维骨架，同时探究了不同数量图片对曲面拟合形成马铃薯三维模型的影响。

饶秀勤等(2018)(饶秀勤,高迎旺,宋晨波,应义斌,徐惠荣.一种基于轮廓图像的马铃薯三维建模方法[P].CN108053485 A,2018.05.18.)公开了一种基于轮廓图像的马铃薯三维建模方法，利用特征点形成骨架并最终建成三维模型，其体积相关系数达到了0.968。

蜜柚多呈现上小下大的形状，与椭球相去甚远，传统的最小外接圆检测方法无法兼顾横径与纵径的精确度。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题和需求，本发明提供了一种基于多视角轮廓图重建的蜜柚纵横径测量方法。

本发明的技术方案如下：

本发明包括以下步骤：

1)搭建图像采集系统：图像采集系统包括旋转置物平台、蜜柚、RGB相机、光照箱、数据传输线及主机；

旋转置物平台、蜜柚及RGB相机均位于光照箱内，旋转置物平台上放置蜜柚，蜜柚随旋转置物平台的匀速旋转而转动，RGB相机置于旋转置物平台的一侧并且RGB相机的光轴指向蜜柚，RGB相机通过数据传输线与主机连接；

2)建立世界坐标系：以旋转置物平台的旋转中心轴作为世界坐标系的X

3)图像采集：旋转旋转置物平台，RGB相机等时间间隔采集多张当前蜜柚的原图像I；；

4)蜜柚多视角轮廓图P获取：对多张当前蜜柚的原图像I均依次进行边缘检测、标记连通域、最大连通域求取以及坐标空间转换后获得蜜柚多视角轮廓图；

5)蜜柚等间隔纬线获取；

6)蜜柚横径求取：依次遍历n-1条蜜柚等间隔纬线，计算各条蜜柚等间隔纬线的直径，将最大的直径作为当前蜜柚的最大横径；

7)蜜柚纵轴拟合线获取；

8)蜜柚纵径求取；

9)畸形果判断：计算蜜柚纵轴拟合线L与竖直线的夹角θ，当夹角θ大于预设的阈值θ

所述步骤4)具体为：

4.1)边缘检测：将一张原图像I转换为灰度图像G，再检测灰度图像G的边缘轮廓，得到含噪边缘轮廓图像E′；

4.2)标记连通域：遍历含噪边缘轮廓图像E′的各个像素点，对于任一像素点，按照该像素的8领域检测其余像素点与该像素点的连通性，符合8连通的区域标记为同一个连通域，获得各个连通域；

4.3)最大连通域求取：遍历各个连通域，求取出最大的连通域并将该最大的连通域保存为边缘轮廓图像E；

4.4)坐标空间转换；对边缘轮廓图像E的各个像素点进行坐标空间转换，获得坐标转换后的边缘轮廓图像F；对于边缘轮廓图像E中的任一像素点(x，y)，绕旋转置物平台的旋转轴旋转得到该像素点的三维空间点坐标(x

x

y′＝y-y

y

z

其中，x代表像素点(x，y)的横坐标值，y代表像素点(x，y)的纵坐标值，y

4.5)迭代求取多视角轮廓图：对剩余的原图像I重复步骤4.1)至步骤4.4)，获得所有原图像I的坐标转换后的边缘轮廓图像F，将所有坐标转换后的边缘轮廓图像F进行组合后得到蜜柚多视角轮廓图P。

所述步骤5)具体为：

在区间[MinX

所述步骤7)具体为：

7.1)对于第i条蜜柚等间隔纬线l

其中，floor表示向下取整函数，(i＝1，2，...，n-1)；

7.2)对n-1条蜜柚等间隔纬线重复步骤7.1)，得到n-1个蜜柚等间隔纬线的圆心，利用直线拟合后得到蜜柚纵轴拟合线L。

所述步骤8)具体为：

8.1)平均距离判别：在蜜柚多视角纬线轮廓图Q中，计算蜜柚纵轴拟合线L在区间[MinX

8.2)标记纵轴顶点与纵轴底点：根据设置的距离阈值P

8.3)求取蜜柚纵径：求取纵轴顶点与纵轴底点两点间的欧式距离并作为当前蜜柚的纵径长度。

本发明的有益效果为：

本发明能够避免对于蜜柚的损伤，做到省时省力；同时利用多视角轮廓图可以进一步解决基于单张图像测量蜜柚纵横径受采集视角影响的局限性，从而为蜜柚在外部品质分级方面提供更加科学客观的纵横径果形参数。

本发明基于蜜柚轮廓图进行等间隔面切分及等间隔纬线拟合获得蜜柚的横径，提出了通过拟合等间隔纬线的圆心并判别后得到蜜柚纵径的方法。

附图说明

图1是本发明的整体流程图。

图2是本发明的图像采集系统布置图。

图3是本发明的原图像。

图4是本发明的含噪边缘轮廓图像。

图5是本发明的边缘轮廓图像。

图6是本发明的蜜柚多视角轮廓图。

图7是本发明的蜜柚等间隔纬线图。

图8是本发明的纵轴顶点与纵轴底点标记示意图

图中：1、旋转置物平台，2、蜜柚，3、RGB相机，4、光照箱，5、数据传输线，6、主机。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明选取柑橘类水果蜜柚作为实施例：

如图1所示，本发明包括以下步骤：

1)如图2所示，搭建图像采集系统：图像采集系统包括旋转置物平台1、蜜柚2、RGB相机3、光照箱4、数据传输线5及主机6；

旋转置物平台1、蜜柚2及RGB相机3均位于光照箱4内，旋转置物平台1上放置蜜柚2，蜜柚2随旋转置物平台1的匀速旋转而转动，RGB相机3置于旋转置物平台1的一侧并且RGB相机3的光轴指向蜜柚2，RGB相机3通过数据传输线5与主机6连接；

2)建立世界坐标系：如图2所示，以旋转置物平台1的旋转中心轴作为世界坐标系的X

3)图像采集：旋转旋转置物平台1，RGB相机3等时间间隔采集多张当前蜜柚2的原图像I；具体实施中，对于当前放置的蜜柚2，控制旋转置物平台1转速为5°/s，RGB相机3每间隔1s采集一张彩色图像，并将该彩色图像记为原图像I，如图3所示；

4)蜜柚多视角轮廓图P获取：对多张当前蜜柚2的原图像I均依次进行边缘检测、标记连通域、最大连通域求取以及坐标空间转换后获得蜜柚多视角轮廓图；

步骤4)具体为：

4.1)边缘检测：将一张原图像I转换为灰度图像G，再利用canny算子检测灰度图像G的边缘轮廓，得到含噪边缘轮廓图像E′，如图4所示；

4.2)标记连通域：遍历含噪边缘轮廓图像E′的各个像素点，对于任一像素点，按照该像素的8领域检测其余像素点与该像素点的连通性，符合8连通的区域标记为同一个连通域，获得各个连通域；

4.3)最大连通域求取：遍历各个连通域，求取出最大的连通域并将该最大的连通域保存为边缘轮廓图像E，如图5所示；同时依次遍历边缘轮廓图像E的各个像素点，并将其坐标对应保存至第一数组X与第二数组Y；

4.4)坐标空间转换；对边缘轮廓图像E的各个像素点进行坐标空间转换，获得坐标转换后的边缘轮廓图像F；对于边缘轮廓图像E中的任一像素点(x，y)，其中x∈X，y∈Y，绕旋转置物平台1的旋转轴旋转得到该像素点的三维空间点坐标(x

x

y′＝y-y

y

z

其中，(x，y)代表当前边缘轮廓图像E中的任一像素点的像素坐标，x代表像素点(x，y)的横坐标值，y代表像素点(x，y)的纵坐标值，y

4.5)迭代求取多视角轮廓图：对剩余的原图像I重复步骤4.1)至步骤4.4)，获得所有原图像I的坐标转换后的边缘轮廓图像F，本实施例中蜜柚的采集设置为连续获取36张当前蜜柚的原图像。将所有坐标转换后的边缘轮廓图像F进行组合后得到蜜柚多视角轮廓图P，如图6所示；

5)蜜柚等间隔纬线获取：沿着X

6)蜜柚横径求取：依次遍历蜜柚多视角纬线轮廓图Q中的n-1条蜜柚等间隔纬线，计算各条蜜柚等间隔纬线的直径，将最大的直径作为当前蜜柚的最大横径；

7)蜜柚纵轴拟合线获取：

步骤7)具体为：

7.1)对于第i条蜜柚等间隔纬线l

其中，floor表示向下取整函数，(i＝1,2，...，n-1)；

7.2)对n-1条蜜柚等间隔纬线重复步骤7.1)，得到n-1个蜜柚等间隔纬线的圆心，利用直线拟合后得到蜜柚纵轴拟合线L；

8)蜜柚纵径求取：

步骤8)具体为：

8.1)平均距离判别：在蜜柚多视角纬线轮廓图Q中，计算蜜柚纵轴拟合线L在沿着X

8.2)标记纵轴顶点与纵轴底点：根据设置的距离阈值P

8.3)求取蜜柚纵径：求取纵轴顶点与纵轴底点两点间的欧式距离并作为当前蜜柚的纵径长度；

9)畸形果判断：计算蜜柚纵轴拟合线L与竖直线的夹角θ，当夹角θ大于预设的阈值θ