基于Kinect深度图像传感器的苹果幼树三维模拟仿真

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随着计算机图形图像处理技术的快速发展,三维重建技术在农业领域得到广泛应用,苹果幼树的三维重建是实现基于移动机器人对苹果果园精准管理的重要环节,其研究和实现对现代化农业的发展有着重要的意义。基于精度、成本和应用等因素,选择微软公司研发的Kinect深度图像传感器作为数据采集工具。本研究以苹果幼树为实验对象,首先,利用Kinect深度图像传感器获取点云数据,通过离群点滤除、点云地面分割、迭代最近点(Iterative Closest Point,ICP)配准拼接等算法对点云数据进行预处理;进而,应用贪婪投影三角化重建算法实现苹果幼树的三维重建;最后,结合Unity3D软件对重建模型加以应用,创建三维模拟果园。主要研究内容如下:(1)苹果幼树三维点云数据采集平台搭建。该平台的硬件主要由Kinect深度图像传感器、计算机、三脚架组成。将Kinect深度图像传感器与计算机连接并通过三脚架固定,同距离、同高度垂直于苹果幼树进行点云数据采集。(2)点云数据预处理。所用到的方法主要包括离群点滤除、地缘地面分割和ICP配准拼接。利用离群点滤除法判定数据是否为离群点,并去除离群点;采用地缘地面分割法建立一个平面模型,通过随机采样去除掉平面模型之外的点云数据;通过7次ICP配准拼接,融合不同角度获取到的苹果幼树点云数据,并对其有效性进行验证。(3)苹果幼树三维重建。应用贪婪投影三角化重建算法对配准后的苹果幼树点云数据进行三维重建,实现苹果幼树三维模拟仿真,所构建模型的最大绝对误差为0.50cm,最大相对误差为5.43%。(4)三维模拟果园创建。采用Unity3D搭建果园地形,导入苹果幼树三维重建模型,通过设计UI界面创建第一人称虚拟环境漫游的三维模拟果园。从实验效果来看,本文给出的苹果幼树三维重建及三维模拟果园创建方法能够有效应用于虚拟辅助管理系统中,实现虚拟管理过程的实时交互,从而为果园管理、农技虚拟培训等领域的研究和应用提供技术支撑。
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