[发明专利]一种基于3D重建自动化分析海底植物生长状况的方法

说明书

技术领域

本发明涉及海底植物的检测与识别领域，尤其是涉及了一种基于3D重建自动化分析海底植物生长状况的方法。

背景技术

海底植物的检测与识别常用于海底植物种类的识别、植物生态系统监控、赤潮预测和防治等领域，自动和准确的实时海底植物表型分析是现代作物监测和农业技术的典型部分。具体地，自动检测和识别海底植物，对浮游植物进行显微图像分析，有利于海洋生态系统的建立。在生态系统监控方面，通过监测海底植物的生长状态，采集海底植物生长的信息，有助于海底植物生理方面的研究。除此之外，通过识别和检测赤潮生物的数目，分析其增值率，可预报赤潮的发生以通过一定措施进行防治。对海底植物进行非侵入性分析在海底植物科学研究中是非常需要的，因为传统技术通常需要对海底植物进行破坏，因此禁止在其生命周期内分析海底植物生长。机器视觉系统可以实现自动监测，分析和产生高生产量，无需任何手动干预。

本发明提出了一种基于3D重建自动化分析海底植物生长状况的方法，监控和分析海底植物的整个生命周期的生长。首先，龙门机器人系统用于数据采集过程的自动化，机器人按照特定的轨迹在海底植物周围移动，3D激光扫描仪放置于机械臂，可从关于海底植物的多个视角记录3D点云数据，机器人从一个视角移动到另一个视角，并与扫描仪通信，对被观察的海底植物进行扫描。每天6次按30°扫描12个视角约360°，最后将所有视图合并为单个3D三角形网格表示整个海底植物。本发明突破了传统监测会对海底植物造成破坏的局限性，开发了一种3D海底植物表型视觉系统，能够自动监控和分析海底植物整个生命周期的生长，而不对海底植物造成破坏，有利于对海底植物生长状态进行自动而准确的监测和分析，从而提高作物的产量和进一步推动海底植物科学的研究。

发明内容

针对传统方法会对海底植物造成破坏的问题，开发了一种3D海底植物表型视觉系统，能够自动监控和分析海底植物的整个生命周期的生长，而不对海底植物造成破坏，有利于对海底植物生长状态进行自动而准确的监测和分析，从而提高作物的产量和进一步推动海底植物科学的研究。

为解决上述问题，本发明提供一种基于3D重建自动化分析海底植物生长状况的方法，其主要内容包括：

(一)机器人；

(二)扫描仪；

(三)生长室；

(四)多视图对齐；

(五)系统集成。

其中，所述的机器人，包括可调底座和携带7自由度机械臂的2轴高架龙门架，植物放置在可以上下移动的基座上，以适应不同的应用和植物大小，7自由度机械臂为控制3D扫描的位置和方向提供了高度的灵活性，而2轴龙门架提供了一个扩展的工作空间，机器人的精度和重复性均为0.1μm，通过编程，令机器人围绕植物按圆形轨迹移动进行扫描，最初机器人停留在原位，机械臂垂直向下放置，在初始化命令后，它通过交替的宏观和微观的关节运动从原始位置移动到所需位置，将基座中心相对于机械臂垂直轴的水平距离保持在0.56米，从基座平面到扫描仪的距离保持在0.26米，这些距离均根据经验设定，可获得最佳的扫描数据。

其中，所述的扫描仪，扫描仪是机械臂的有效载荷，以点云格式测量物体可见表面的密集深度图，扫描仪使用825nm的近红外光，降低对植物生长的影响，扫描仪的不同参数(例如视场，激光功率等)均根据经验设定，用激光功率1.0mW执行整个实验，单次扫描需要大约1分钟的时间才能产生两点间分辨率为0.25mm的点云数据，扫描仪软件通过用户数据报协议(UDP)与机器人控制软件进行通信，每次机器人在扫描位置停止时，即与扫描仪通讯，进行一次扫描，然后移动到下一个位置。

其中，所述的生长室，自主设计了一个生长室内的整个机器人装置，该生长室完全可编程，可控制温度，湿度，风扇转速和光强度，使用相机进行远程监控，整个生长室是专门的嵌入式系统，可由机器人控制软件进行控制。

其中，所述的多视图对齐，多视图对齐是构建对象的3D模型的主要任务，使用高斯混合模型(GMM)登记两个非刚性点的集合，通过连续概率密度函数来表示离散点，高斯混合模型可以表示为M高斯密度的加权和：

其中x是d维向量，ω_i(i＝1，...，M)是平均值为μ_i和协方差为Σ_i的每个混合g的权重，并且参数λ＝{ω_i，μ_i，∑_i}，通过最小化以下代价函数来最小化两个高斯混合物之间的差异：