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基于点云数据的植物形态建模方法研究

作　者: 孙智慧
导　师: 郭新宇
学　校: 首都师范大学
专　业: 计算机应用技术
关键词: 点云 曲面重构 植物叶片模型重构 叶脉特征提取 网格孔洞修补
分类号: TP391.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


基于三维激光扫描点云数据的植物形态重建是当前计算机图形学、农林信息化等领域的热点研究问题之一。由于植物形态及其生长环境的多样性和复杂性，直接从三维点云中重构高质量的植物形态结构尚十分困难。本文将三维点云处理技术应用于植物形态建模中，围绕基于点云数据的植物叶片脉序特征提取、叶片曲面重构和植物器官网格孔洞修补算法开展研究，以期为基于实测三维点云的植物形态参数测量和重建提供技术支持。本文的主要工作及结果如下：1.植物叶片曲面重构方法研究。提出了一种基于点云数据的植物叶片曲面重构方法，针对利用三维激光扫描仪获取的不同种类植物叶片的点云数据，首先进行去噪、精简等预处理操作，然后采用Delaunay三角剖分方法生成初始网格曲面，再对网格曲面进行优化处理，最终重构出植物叶片的三维网格模型。2.叶脉特征提取方法研究。提出了一种基于点云数据的植物叶片脉序结构和边缘轮廓提取方法，首先根据点云的曲率提取出叶片潜在的脉序特征点，然后建立叶片点云数据的网格模型，再根据网格拓扑结构提取出叶片的边缘轮廓点，最后通过拟合、修复等操作实现叶片脉序和边缘轮廓的提取。3.植物器官网格孔洞修补算法研究。针对三维激光扫描获取的植物器官曲面网格中因数据缺少而引起的孔洞问题，通过对植物器官的几何形状特征进行数据分析，提出一种基于法矢的网格孔洞修补方法，首先提取出网格孔洞边界，然后由网格边界法向量及边界点法曲率的方向计算新增点的位置，并连接新增点及边界点生成新的三角面片，使得网格孔洞得以填充。4.植物点云数据处理与可视化模型构建软件开发。结合以上方法，采用OpenGL图形库和VS2010开发平台，开发植物点云数据处理与可视化模型构建软件系统，该系统具有点云数据预处理、植物叶片曲面网格重构、叶脉及边缘轮廓特征提取、网格孔洞修补等功能。

全文目录


摘要  3-4
Abstract  4-5
目录  5-7
第一章 引言  7-19
  1.1 研究背景  7
  1.2 国内外研究现状  7-14
    1.2.1 基于规则的建模方法  8-9
    1.2.2 基于实测数据的建模方法  9-14
  1.3 问题的提出  14
  1.4 主要内容与解决方法  14-16
    1.4.1 主要研究内容  14-15
    1.4.2 关键问题及解决方法  15-16
  1.5 研究思路  16-17
  1.6 论文的组织结构  17-19
第二章 基于点云数据的植物叶片模型构造方法  19-29
  2.1 引言  19-20
  2.2 数据采集和预处理  20-23
    2.2.1 数据采集  20-21
    2.2.2 数据预处理  21-23
  2.3 点云网格化及网格优化处理  23-25
    2.3.1 最小二乘投影  23-24
    2.3.2 Delaunay 三角化  24
    2.3.3 网格优化处理  24-25
  2.4 结果与分析  25-28
  2.5 本章小结  28-29
第三章 基于点云数据的植物叶脉及边缘轮廓提取方法  29-37
  3.1 引言  29-30
  3.2 基于曲率的植物叶片叶脉提取  30-32
    3.2.1 曲率估计  30-31
    3.2.2 潜在叶脉点提取  31-32
  3.3 基于网格的叶片边界提取  32-33
    3.3.1 网格模型与优化  32-33
    3.3.2 边界信息提取  33
  3.4 叶脉轮廓线拟合  33-34
  3.5 叶脉轮廓线修复  34
  3.6 实验结果与分析  34-36
  3.7 本章小结  36-37
第四章 基于孔洞修补算法的植物器官及整株模型构建  37-53
  4.1 引言  37
  4.2 基于法矢的网格孔洞修补算法  37-47
    4.2.1 网格孔洞边界提取  38-39
    4.2.2 孔洞边界点法矢估计  39
    4.2.3 边界夹角计算  39-40
    4.2.4 新增点的计算  40-43
    4.2.5 实验结果和分析  43-45
    4.2.6 修补网格评价及讨论  45-47
  4.3 基于孔洞修补算法的玉米整株模型的构建  47-51
    4.3.1 数据采集与处理  47-48
    4.3.2 器官分割  48-49
    4.3.3 修补结果  49-51
  4.4 本章小结  51-53
第五章 植物点云数据处理与可视化模型构建软件系统的设计与实现  53-63
  5.1 开发环境简介  53-54
  5.2 系统概述  54-55
  5.3 系统模块设计  55-57
  5.4 系统运行  57-62
    5.4.1 植物叶片模型重构  57-59
    5.4.2 植物果实器官孔洞修补  59-62
  5.5 本章小结  62-63
第六章 总结与展望  63-65
  6.1 全文工作总结  63-64
  6.2 展望  64-65
参考文献  65-69
攻读硕士学位期间发表的学术论文  69
参与的主要科研项目  69-71
致谢  71

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 计算技术、计算机技术 > 计算机的应用 > 信息处理（信息加工） > 模式识别与装置 > 图像识别及其装置
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