摘 要

在当今的时代，现代化的生态环境建设日趋重要，其中提供大量的、优质的苗木是很重要的一环。苗木质量的好坏取决于其自身的矿质营养、碳水化合物含量等，从培育到移植的整个过程，都需要检测其苗高、根茎长度及数量等。而传统的人工测量，大部分都是使用卡尺、围尺及游标卡尺等工具直接测量，且不说精度如何，单从人力、物力和时间的角度说，效率就不言而喻了，而且直接测量还有可能伤害到苗木，影响苗木的正常生长。所以把先进的科学技术应用到该领域，对现代化的生态环境建设具有非常重要的意义。

立体视觉技术是计算机视觉技术的一个重要领域。随着当代计算机的软件和硬件都得到了快速的发展，双目立体视觉技术被应用于各大行业，其中就包括应用到林业的生产实践中来。本文主要运用双目立体视觉的三维重构技术对马尾松的图像进行立体重构，以达到可以观测并提取所需要的信息。主要工作过程为：搭建左右两部相机、背景板及相关的道具硬件平台和Matlab及其相关的工具包而软件构成的软件系统；接着依次拍摄点状标定板和马尾松苗木图像，然后对采集到的标定板图样进行相机标定，方法使用“张正友标定法”；标定结束后通过标定得到的内外参数对马尾松图像进行图像校正；并使用Matlab自带的函数求出马尾松的视差图和获取相关的三维坐标；最后通过空间点的重建得出马尾松三维的重构模型。

关键词：苗木质量、双目立体视觉、相机标定、立体匹配、三维重建

3D reconstruction and display of Pinus massoniana

Summary

In today's era, the modernization of the ecological environment is becoming increasingly important, which provides a large number of high-quality nursery stock is a very important part. The quality of nursery stock depends on its own mineral nutrition, carbohydrate content, etc., from breeding to transplant the whole process, need to detect the seedling height, root length and quantity. The traditional manual measurement, most of the use of calipers, ruler and vernier caliper and other tools directly measured, and not how accurate, from the human, material and time point of view, the efficiency is self-evident. And direct measurement may also damage the seedlings, affecting the normal growth of seedlings. So the application of advanced science and technology to the field, the construction of modern ecological environment has a very important significance.

Binocular stereoscopic vision technology is an important branch of computer vision technology. With the development of contemporary computer software and hardware, binocular stereoscopic vision technology has been applied with major industries, including forestry production practice Come.In this paper, the three-dimensional reconstruction technique of binocular stereoscopic vision is used to reconstruct the image of Pinus massoniana in order to observe and extract the required information. The main work process is: to build two left and right cameras, background boards and related props hardware platform and Matlab and its related toolkit and software software system. Then click the point-like calibration plate and the image of the Pinus massoniana seedlings. And then the calibration of the calibration plate to the camera calibration, the use of "Zhang Zhengyou calibration method." At the end of calibration, the internal and external parameters obtained by calibration are used to correct the image of Pinus massoniana, and the parallax map of Pinus massoniana is obtained by using Matlab's own function and the relevant three-dimensional coordinates are obtained. Finally, the 3D reconstruction model of Pinus massoniana was obtained by surface fitting.

Keywords: Seedling quality, binocular stereoscopic vision, camera calibration, stereo matching, 3D reconstruction

目 录

第一章 绪论 1

1.1研究背景、目的及意义 1

1.1.1研究背景 1

1.1.2研究意义 1

1.1.3研究目的 1

1.2国内外研究状况 2

1.2.1国外研究状况 2

1.2.2国内研究状况 3

1.3主要研究内容及论文结构 3

1.3.1主要研究内容 3

1.3.2论文章节安排 4

第二章 相机标定 5

2.1相机成像模型 5

2.1.1参考坐标系 5

2.1.2线性相机模型 7

2.2相机标定 9

2.2.1相机标定的主要内容 9

2.2.2张正友平面标定法 9

2.3相机标定的流程及实现 9

2.3.1单相机标定 9

2.3.2立体视觉标定 15

2.4本章小结 18

第三章 图像校正 19

3.1 图像校正的目的及意义 19

3.2图像校正原理及结果 19

第四章 立体匹配 21

4.1立体匹配的基本原理 21

4.1.1视差与深度计算 21

4.2立体匹配的实现 23

4.2.1求视差图 23

第五章 三维重建 25

5.1三维重构的定义 25

5.2三维重构常用的方法 25

5.2.1空间点的重建 25

5.2.2空间直线或二次曲线的重建 26

结论 28

致 谢 30

参考文献 31

第一章 绪论

1.1研究背景、目的及意义

1.1.1研究背景

基于当代的生态文明建设，建设现代化的林业生态需要数量足够多的、质量优质的苗木。在苗木质量的研究进展中，优质的苗木主要表现在优良的遗传品质、上佳的造林质量等性状。而对苗木质量评价研究是对改善苗木质量的主要问题之一，因此，准确的对苗木质量做出评价并提高苗木质量是我国林业行业至关重要的技术问题。其中马尾松分布的环境区域跨度极广，在我国境内北起河南、山东等地方，往南边则直到两广地区，东部自沿海一直往西到贵州、四川中部等地区，可以说是遍布我国的三分之一左右的地区，同时也是我国南方的主要造林树种之一。所以我国这些地区的造林成败很大程度就取决于马尾松苗木的质量。由于不同的地区立地条件不同，使得马尾松苗木质量的指标也有所不同。但是高质量的苗木对于移植后的存活率有着明显的提高，同时对于以后的成长也有一定的影响。

1.1.2研究意义

为了尽可能的提高马尾松苗木的质量，并应用于植被造林，应用先进的计算机和技术具有时代意义。通过摄像技术提取马尾松苗木的图像，由计算机对马尾松图像的信息进行挖掘和提取，相比较之下传统的人工直接测量耗时耗力，而通过高新技术手段可以节约各种人力物力资源，对快速获取马尾松苗木的形态特征并做出较准确的评价对于现代化、生态化的林业建设具有可持续发展的意义。

1.1.3研究目的

论文主要想通过研究出一套基于双目立体视觉的马尾松苗木三维重构并显示的系统，现实通过左右两张图像来提取建模时所需要的信息，并完成苗木的三维模型重建。将三维重构应用到苗木的观察、深究和调研中来，用于解决在许多无法直接观察研究的环境下；同时应对在林业研究中缺失的劳动力。通过现代化的机器以及技术，能更好的使资源得到最大化的使用，更科学、更系统的深入该行业研究。三维重建技术也是我们现代科技客观表达现实世界的虚拟技术之一。

1.2国内外研究状况

1.2.1国外研究状况

上个世纪六十年代，由Marr,Barrow和Tenenbaum等人提出的由摄像机图像还原物体的三维信息的一整套理论，并论证了与之相关的计算方法和原理，而计算机视觉原理是三维重建的理论基础。七十年代末，通过近二十年的研究，立体视觉在医学诊断、工业检测 、军事应用、机器人视觉及农林业中的应用越来越广。

随着技术的发展，研究人员将先进技术应用于苗木质量的快速检测，并进行了一些科学研究。Woebbecke^[2]利用计算机视觉对植物的形状参数进行了测控，如方位，高度，以及厚度与周长之比用于描述植物的形状，并根据它们所代表的种类不同。将几种植物的彩色幻灯片图像数字化用于计算机分析。这项研究有助于设计一个可以确定杂草种群并在不使用人为干预的情况下识别植物物种的系统。Ringey 等^[3-4]向我们展示了一种机器视觉幼苗检测系统原型，精确的形态学测量和准确的分级要求可靠地识别幼苗根部的位置，该功能目前通过使用启发式算法实现，该算法依赖于许多操作者控制的参数来提取基于幼苗形状的根部位置提示。Chuanyu等^[5]在文中介绍了一种使用不同视角的两幅图像重建没有叶子的三维中国山核桃树的方法，然后说明了重建树的动力学分析。二维（2D）分支通过“条纹编程”方法从图像粗略地分割，并由丝带蛇模型进行细化。在提取2D分支的骨架之后，建立了一个表示二维树结构的二叉树。在拓扑和对极限制下，可以很容易地发现两个图像之间的分支对应。为了提高精度，采用最小曲率约束下的曲线重建而不是基于点的重建。从基部到尖端的分支直径被参数化为线性方程。使用中国山核桃树的3D模型，其有限元软件（ANSYS Workbench）解决了其动力学分析。与冲击试验结果相比，最终可以发现主振摇床的预测最佳振动频率。说明利用提出的方法重构树的三维模型的动力学分析是有效的。

1.2.2国内研究状况

对于双目立体视觉的研究国内起步的较晚，但是随着计算机科学技术的发展，我国的三维重构技术也随之发展起来。不管是单幅图像的三维重构、立体视觉的三维重构或者深度图像的三维重构都得到了不同程度的研究。其中将双目视觉技术应用于林业产业也随之发展起来。