本發(fā)明涉及圖像處理，更具體地涉及一種基于圖像處理的仿真植物建模方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、傳統(tǒng)的仿真植物建模方法主要依賴于物理模型和手工繪制，效率低下且難以適應(yīng)植物形態(tài)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)變化，無法直接從真實(shí)植物中提取關(guān)鍵特征，難以實(shí)現(xiàn)高精度和動(dòng)態(tài)模擬。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、人工智能和圖像處理技術(shù)的快速發(fā)展，基于圖像處理的仿真植物建模方法逐漸成為研究植物形態(tài)、生長動(dòng)態(tài)和環(huán)境響應(yīng)的重要工具。這種方法通過獲取植物的圖像數(shù)據(jù)，結(jié)合計(jì)算機(jī)視覺和圖像處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)植物形態(tài)、動(dòng)態(tài)和環(huán)境響應(yīng)的高精度模擬；

2、然而上述過程仍具有以下缺點(diǎn)：

3、其一、現(xiàn)有方法缺乏三維建模和多源傳感器，無法準(zhǔn)確地捕捉植物的微觀特征，難以反映植物的動(dòng)態(tài)變化，無法依據(jù)環(huán)境變化對(duì)模型的精度進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化；

4、其二、現(xiàn)有方法缺乏將構(gòu)建好的模型與實(shí)際植物圖像進(jìn)行匹配分析，無法準(zhǔn)確反映植物的實(shí)際形態(tài)和細(xì)節(jié)，再根據(jù)匹配分析的結(jié)果對(duì)誤差缺陷進(jìn)行檢測(cè)，容易導(dǎo)致對(duì)模型誤差的修正不夠準(zhǔn)確，并缺乏迭代修正和對(duì)比驗(yàn)證，無法適應(yīng)動(dòng)態(tài)變化，更增加了擴(kuò)展和維護(hù)的復(fù)雜度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明提供了一種基于圖像處理的仿真植物建模方法及系統(tǒng)，以解決上述背景技術(shù)中存在的問題。

2、本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：一種基于圖像處理的仿真植物建模方法，包括：

3、s1：用于收集自然植物的圖像，通過獲取自然環(huán)境中的植物圖像，并將獲取的植物圖像上傳至圖像處理中心；

4、s2：基于對(duì)上傳至圖像處理中心的植物圖像進(jìn)行特征提取，通過使用圖像識(shí)別技術(shù)提取植物圖像中的幾何特征，并分析圖像中的光照條件，識(shí)別陰影區(qū)域；

5、s3：通過將提取出的植物特征轉(zhuǎn)化為三維模型，從而構(gòu)建植物的三維仿真模型；

6、s4：通過多視角對(duì)比分析三維仿真模型與實(shí)際植物之間的匹配程度，計(jì)算出匹配程度，判斷三維仿真模型與實(shí)際植物是否匹配；

7、s5：基于對(duì)比分析的結(jié)果，進(jìn)一步分析三維仿真模型與實(shí)際植物之間所有對(duì)應(yīng)點(diǎn)的誤差，得到對(duì)應(yīng)點(diǎn)之間誤差和最大誤差；

8、s6：通過對(duì)對(duì)應(yīng)點(diǎn)之間誤差和最大誤差進(jìn)行分析，計(jì)算出誤差偏差程度系數(shù)，判斷三維仿真模型與實(shí)際植物之間的誤差大小是否需要進(jìn)行細(xì)節(jié)和位置修正；

9、s7：通過對(duì)三維仿真模型進(jìn)行迭代修正，并將修正后的模型與實(shí)際植物進(jìn)行對(duì)比，直至三維仿真模型修正驗(yàn)證通過。

10、優(yōu)選的，所述s1通過使用高分辨率相機(jī)對(duì)植物進(jìn)行多角度拍攝，包括頂部、底部、側(cè)面、前面以及后面，并連續(xù)拍攝多張圖像，形成一套圖像序列，將圖像序列上傳至圖像處理中心。

11、優(yōu)選的，所述s2通過對(duì)上傳至圖像處理中心的植物圖像進(jìn)行預(yù)處理，包括去噪、對(duì)比度增強(qiáng)以及大小調(diào)整，對(duì)于植物圖像的特征提取過程包括：使用canny邊緣檢測(cè)算法找到植物輪廓，根據(jù)植物各部位圖像的顏色特征、紋理特征和形狀特征將圖像分割成不同的區(qū)域，通過葉片的長、寬、面積、周長以及形狀因子來計(jì)算出葉片形狀，根據(jù)提取出圖像中的莖稈的直徑、長度以及方向來計(jì)算出莖稈結(jié)構(gòu)，根據(jù)提取出圖像中的花朵的位置、大小以及形狀來計(jì)算出花朵分布，通過分析圖像的全局和局部亮度分布，估計(jì)光照條件，再使用閾值分割方法來識(shí)別圖像陰影區(qū)域。

12、優(yōu)選的，所述s3通過將提取出的二維圖像特征轉(zhuǎn)換為三維空間坐標(biāo)，使用三維建模軟件輸入轉(zhuǎn)換后的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)構(gòu)建植物三維幾何模型，通過使用立體匹配算法生成植物的三維點(diǎn)云，通過使用泊松重建算法從點(diǎn)云數(shù)據(jù)中重建植物的三維表面，再將原始圖像的紋理信息映射到重建的三維模型上。

13、優(yōu)選的，所述s4通過在三維仿真模型與實(shí)際植物圖像上識(shí)別和匹配相應(yīng)的關(guān)鍵特征點(diǎn)，包括葉尖、葉基、莖稈、花朵以及果實(shí)，通過多視角對(duì)比三維仿真模型與實(shí)際植物圖像的對(duì)應(yīng)區(qū)域，從而分析三維仿真模型與實(shí)際植物圖像是否匹配；

14、所述匹配程度的具體分析方式為：

15、步驟s411：通過使用迭代最近點(diǎn)算法將仿真模型的點(diǎn)云與實(shí)際植物的掃描點(diǎn)云進(jìn)行配準(zhǔn)，從而分析實(shí)際植物圖像和三維仿真模型關(guān)鍵特征點(diǎn)之間的平均距離誤差，計(jì)算出幾何匹配度為，其中，表示實(shí)際植物圖像上第i個(gè)特征點(diǎn)的坐標(biāo)，表示三維仿真模型上對(duì)應(yīng)第i個(gè)特征點(diǎn)的坐標(biāo)，n表示匹配特征點(diǎn)的數(shù)量；

16、步驟s412：通過使用局部二值模式提取紋理特征，來比較分析實(shí)際植物圖像和三維仿真模型渲染圖像的紋理特征，計(jì)算出紋理匹配度為，其中，x表示實(shí)際植物圖像，y表示三維仿真模型渲染圖像，表示圖像x的局部平均值，表示圖像y的局部平均值，表示圖像x的局部方差，表示圖像y的局部方差，表示圖像x和y的局部協(xié)方差，和表示避免分母為零而引入的小常數(shù)；

17、步驟s413：基于幾何匹配度和紋理匹配度綜合計(jì)算出匹配程度為，和為權(quán)重系數(shù)；

18、設(shè)定一個(gè)匹配度閾值，通過將匹配程度與匹配度閾值進(jìn)行比較，從而判斷三維仿真模型與實(shí)際植物之間是否匹配，若匹配程度m匹配度閾值，則判定三維仿真模型與實(shí)際植物匹配良好，無需進(jìn)行誤差糾正分析，若匹配程度m匹配度閾值，則判定三維仿真模型與實(shí)際植物不相匹配，需進(jìn)一步對(duì)誤差進(jìn)行分析。

19、優(yōu)選的，所述s5通過三維仿真模與實(shí)際植物之間對(duì)應(yīng)點(diǎn)的坐標(biāo)，并結(jié)合光照和風(fēng)力影響因子，計(jì)算出對(duì)應(yīng)點(diǎn)之間誤差為，其中，表示三維仿真模與實(shí)際植物第j個(gè)對(duì)應(yīng)點(diǎn)之間的誤差，表示實(shí)際植物圖像上第j個(gè)對(duì)應(yīng)點(diǎn)的坐標(biāo)，表示三維仿真模型上與之相對(duì)應(yīng)的第j個(gè)對(duì)應(yīng)點(diǎn)的坐標(biāo)，表示光照影響因子，表示風(fēng)力影響因子，具體值是根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬得到的；所述最大誤差為。

20、優(yōu)選的，所述s6對(duì)于誤差偏差程度系數(shù)的具體分析方式為：

21、步驟s611：基于對(duì)應(yīng)點(diǎn)之間誤差計(jì)算出對(duì)應(yīng)點(diǎn)的平均誤差為，m表示對(duì)應(yīng)點(diǎn)的總數(shù)量；

22、步驟s612：基于對(duì)應(yīng)點(diǎn)的平均誤差與對(duì)應(yīng)點(diǎn)之間誤差，綜合計(jì)算出誤差偏差程度系數(shù)為；

23、通過最大誤差與誤差偏差程度系數(shù)r對(duì)三維仿真模型與實(shí)際植物之間的誤差大小是否需要修正進(jìn)行判斷，分別設(shè)定一個(gè)最大誤差閾值和誤差偏差程度閾值；若最大誤差最大誤差閾值且誤差偏差程度系數(shù)r誤差偏差程度閾值，則認(rèn)為誤差在可接受范圍內(nèi)，模型無需進(jìn)行修正，若誤差偏差程度系數(shù)r誤差偏差程度閾值或最大誤差最大誤差閾值，則表明誤差的相對(duì)波動(dòng)程度較大，需要進(jìn)一步對(duì)三維仿真模型進(jìn)行修正。

24、優(yōu)選的，所述s7基于模型修正的判定結(jié)果使用迭代修正的方法對(duì)三維仿真模型進(jìn)行修正，通過將修正調(diào)整后的模型與實(shí)際植物進(jìn)行對(duì)比，直至最大誤差與誤差偏差程度系數(shù)都低于閾值時(shí)，結(jié)束修正過程，并確認(rèn)三維仿真模型驗(yàn)證通過。

25、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：一種基于圖像處理的仿真植物建模系統(tǒng)，實(shí)施上述一種基于圖像處理的仿真植物建模方法，包括：

26、圖像收集模塊：用于收集自然植物的圖像，通過獲取自然環(huán)境中的植物圖像，并將獲取的植物圖像上傳至圖像處理中心；

27、圖像特征提取模塊：基于對(duì)上傳至圖像處理中心的植物圖像進(jìn)行特征提取，通過使用圖像識(shí)別技術(shù)提取植物圖像中的幾何特征，并分析圖像中的光照條件，識(shí)別陰影區(qū)域，并將提取出的植物特征傳輸至模型構(gòu)建模塊；

28、模型構(gòu)建模塊：通過使用三維建模軟件，將提取出的植物特征轉(zhuǎn)化為三維模型，從而構(gòu)建植物的三維仿真模型；

29、對(duì)比分析模塊：通過多視角對(duì)比分析三維仿真模型與實(shí)際植物之間的匹配程度，計(jì)算出匹配程度，判斷三維仿真模型與實(shí)際植物是否匹配，并將對(duì)比分析結(jié)果傳輸至誤差分析模塊；

30、誤差分析模塊：基于對(duì)比分析的結(jié)果，進(jìn)一步分析三維仿真模型與實(shí)際植物之間所有對(duì)應(yīng)點(diǎn)的誤差，得到對(duì)應(yīng)點(diǎn)之間誤差和最大誤差；

31、誤差檢測(cè)模塊：通過對(duì)對(duì)應(yīng)點(diǎn)之間誤差和最大誤差進(jìn)行分析，計(jì)算出誤差偏差程度系數(shù)，判斷三維仿真模型與實(shí)際植物之間的誤差大小是否需要進(jìn)行細(xì)節(jié)和位置修正，并將判定結(jié)果傳輸至修正驗(yàn)證模塊；

32、修正驗(yàn)證模塊：通過對(duì)三維仿真模型進(jìn)行迭代修正，并將修正后的模型與實(shí)際植物進(jìn)行對(duì)比，直至三維仿真模型修正驗(yàn)證通過。

33、本發(fā)明的技術(shù)效果和優(yōu)點(diǎn)：

34、本發(fā)明通過收集自然植物的圖像，通過獲取自然環(huán)境中的植物圖像，通過使用圖像識(shí)別技術(shù)提取植物圖像中的幾何特征，并分析圖像中的光照條件，識(shí)別陰影區(qū)域，通過使用三維建模軟件，將提取出的植物特征轉(zhuǎn)化為三維模型，從而構(gòu)建植物的三維仿真模型，有利于實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地捕捉植物的微觀特征，及時(shí)反映植物的動(dòng)態(tài)變化，并依據(jù)環(huán)境變化對(duì)模型的精度進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，通過多視角對(duì)比分析三維仿真模型與實(shí)際植物之間的匹配程度，計(jì)算出匹配程度，判斷三維仿真模型與實(shí)際植物是否匹配，根據(jù)匹配分析結(jié)果進(jìn)一步分析三維仿真模型與實(shí)際植物之間所有對(duì)應(yīng)點(diǎn)的誤差，得到對(duì)應(yīng)點(diǎn)之間誤差和最大誤差，再計(jì)算出誤差偏差程度系數(shù)，判斷三維仿真模型與實(shí)際植物之間的誤差大小是否需要進(jìn)行細(xì)節(jié)和位置修正，通過對(duì)三維仿真模型進(jìn)行迭代修正，并將修正后的模型與實(shí)際植物進(jìn)行對(duì)比，直至三維仿真模型修正驗(yàn)證通過，通過將構(gòu)建好的模型與實(shí)際植物圖像進(jìn)行匹配分析，有利于準(zhǔn)確反映植物的實(shí)際形態(tài)和細(xì)節(jié)，根據(jù)匹配分析的結(jié)果對(duì)誤差缺陷進(jìn)行檢測(cè)，能夠準(zhǔn)確地對(duì)模型的誤差缺陷進(jìn)行修正，有利于對(duì)模型所存在的誤差區(qū)域進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，從而能更好地適應(yīng)動(dòng)態(tài)變化，并進(jìn)行針對(duì)性的修正，降低了擴(kuò)展和維護(hù)的復(fù)雜度。