基于视觉三维重建的作物表型分析史维杰张吴平郝雅洁赵明霞吕致李富忠摘要：采用基于图像序列的三维重建技术对作物小麦进行三维重建，通过对比不同处理下的三维点云，选择合适的处理方式对同一品种的不同植株进行三维重建;最后通过获取的作物三维模型对其进行表型测量。结果表明，重建出的三维模型在一定程度上可以还原作物的真实结构，说明利用计算机视觉技术对作物进行表型测量是切实可行的，利用三维模型测量作物的表型对于育种是省时有效的。关键词：三维重建;植物表型;叶面积;SfM;MVS：TP399：A：0439-8114（2019）16-0125-04DOI：10.14088/jki.issn0439-8114.2019.16.029开放科学（资源服务）标识码（OSID）：Abstract：Three-dimensionalreconstructionofcropwheatwascarriedoutbyusingimagesequence-based3Dreconstructiontechnique.Three-dimensionalpointcloudsunderdifferenttreatmentswerecompared，andappropriatetreatmentmethodswereusedtoreconstructthree-dimensionalreconstructionofdifferentplantsofthesamevariety.Finally，thethree-dimensionalmodelofcropswasobtained.Phenotypicmeasurement.Theresultsshowedthatthereconstructedthree-dimensionalmodelcouldrestorethetruestructureofthecroptoacertainextent，indicatingthatitwasfeasibletousethecomputervisiontechnologytomeasurethephenotypeofthecrop.Usingthethree-dimensionalmodeltomeasurethephenotypeofthecropwastime-savingandeffectiveforbreeding.Keywords：3Dreconstruction;plantphenotype;leafarea;SfM;MVS隨着全世界人口的不断增加、全球气候急剧变化、耕地面积逐渐减少，如何能够有效增加粮食产量、保障粮食安全，成为育种学家需要攻克的一个难题。在过去的几十年里，表型组学作为基因组学的补充[1，2]，为作物育种及解析基因组作出了贡献，植物表型间接决定了植物的生长、活力、抗倒伏能力等，不同植物表型间存在一定的线性或非线性功能关系。这表明当一个表型参数不容易检测或识别时，可以选择另一个与其密切相关的表型参数进行测量，所测得的表型参数为施肥、喷药等农业机械操作的决策和指导提供了一定的理论依据。同时，这些参数可以用于机器人自动拾取系统和执行机构的性能控制。传统的植物表型测量方法存在成本高、工作强度大、消耗时间长等缺点，这就要求迅速发展植物表型测量技术。与此同时，随着计算机硬件和软件的发展，越来越多将计算机视觉技术与农业相结合，尝试运用一种新型的方法来突破传统作物育种的局限性。将计算机视觉技术应用在植物表型测量上，对于传统的表型测量来说是一个巨大突破。传统的表型测量存在人为因素干扰，同一测量目标在不同人的测量下会存在较大的误差。而利用计算机视觉技术获得植物的三维模型并进行测量，不仅仅是非破坏性可持久的，而且测量的精度在一定程度可以得到保障。Santos等[3]研究表明图像序列可以重建植物的分支和其他精细结构，夏春华等[4]提出一种基于TOF深度传感的植物三维点云数据获取与去噪方法，劳彩莲等[5]提出一种基于消费级深度相机的玉米植株三维重建方法。本研究采用基于图片序列的三维重建方法，对作物进行三维重建，得到三维模型后对其进行测量与分析。1图片序列的三维重建方法目前基于图片序列的三维重建主要有两类：①使用StructurefromMotion（SfM）对图片序列进行重建[6-9];②使用Spacecarving（空间雕刻）对图片序列进行重建[10]。空间雕刻技术最早于1998年由Kiriakos等提出，是一种利用任意位置相机重建任意形状场景的理论，在本质上将形状恢复问题转化为约束满足问题。空间雕刻算法实现的一种近乎完美的三维重建，不是在图像空间中进行的而是在三维空间中进行的，背景位于体素初始块儿之外，所以对空间雕刻技术进行三维重建不包括背景[11，12]。SfM方法是一种低成本的从一系列多个重叠图像中重建三维结构方法[6]，已经被越来越多的研究人员应用于农业、林业、地球科学、考古学和建筑学。SfM相比于空间雕刻技术的优点是并不需要人为的定义太多参数，只需要对目标植物进行360°环绕拍摄，操作起来方便简单。但由...