植物3D模型的重构方法和最佳拍摄角度范围


发布时间:

2020-10-10

来源:

植物表型资讯

作者:

PhenoTrait

植物结构测量有助于监测植物状况和了解植物对环境变化的响应。3D成像技术,特别是被动SfM(Structure from Motion)算法结合多摄像机摄影(MCP)系统,以其低成本、近距离和快速图像捕捉能力,被广泛应用于植物结构的测量。然而,结构复杂的3D植物模型重建是一个耗时的过程,一些系统无法正确进行植物3D模型重建。为此,本文开发了一种基于SfM的MCP系统,研究了合适的重建方法和最佳拍摄角度范围。

 

多相机摄影系统示例

 

该MCP系统由10台相机和一台旋转工作台组成。使用一组从12°(C2相机)到60°(C6相机)在每个观测天顶角(VZA)拍摄的图像进行单叶3D网格模型重建,未被检测或不稳定区域较少。将每个VZA上拍摄的一组合适图像构建的3D密集点云模型(方法1)融合在一起组成全植株3D网格模型,具有较高精度。方法1中叶面积、叶长、叶宽、茎高和茎宽的误差百分比分别为2.6-4.4%、0.2-2.2%、1.0-4.9%、1.9-2.8%和2.6-5.7%。叶倾角误差小于5°。相反,直接从所有适当VZAs(方法2)拍摄的一组图像建立全植株3D网格模型的精度低于方法1。对于方法2,叶面积、叶长和叶宽的误差百分比分别在3.1-13.3%、0.4-3.3%和1.6-8.6%之间。由于模型中缺少一些信息,很难得到茎高和茎宽的误差百分比。此外,方法2的计算时间比方法1的计算时间长1.97倍。

 

3D建模过程的流程图以及相机拍摄角度对3D建模准确性的影响的探索

 

综上所述,这项研究确定了基于SfM的MCP系统最佳拍摄角度。我们发现,在计算时间和准确性方面,最好是合并每个适当VZA拍摄图像的部分3D模型,然后构造完整3D模型(方法1),而不是使用所有适当VZA拍摄图像来构建3D模型(方法2)。这是因为利用不完整图像的合并来匹配特征点可能会导致3D模型的准确性降低,并且会增加3D模型重建的计算时间。

 

方法1-将全植株3D网格模型合并,该3D网格模型是根据在每个VZA上拍摄的一组适当图像构建的。

 

方法2-3D网格模型是根据在所有适当VZA上拍摄的一组图像构建的。

 

来源:

Lu X, Ono E, Lu S, et al. Reconstruction method and optimum range of camera-shooting angle for 3D plant modeling using a multi-camera photography system. Plant Methods volume. https://doi.org/10.1186/s13007-020-00658-6.

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