论文研究-基于光度立体法的黑瓜子表面三维重建研究 .pdf
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2019-08-18
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基于光度立体法的黑瓜子表面三维重建研究
李昊宇，徐小波，李伟
（中国农业大学工学院，北京 100083）
摘 要：本文研究了一种利用光度立体法进行黑瓜子表面三维重建，进而对翘板瓜子进行识
别的方法。首先利用实物表面重建的方法验证了系统的精度；然后针对黑瓜子表面中间区域
与周边区域颜色有巨大差异的特殊形态，分区域重建了黑瓜子表面，构建了黑瓜子表面的三
维形状。试验表明应用光度立体法可以有效地进行黑瓜子翘板的识别，在误识率小于 5％的
情况下，翘板瓜子识别率达 90％。
关键词：信息处理技术，表面三维重建，光度立体法，黑瓜子
1．引言
黑瓜子的表面平整度是黑瓜子品质的一项重要指标，翘板率的高低直接决定着黑瓜子商
品等级的优劣。然而目前，在黑瓜子商品化生产过程中，翘板的自动化检测一直没有得到实
现，很多时候依靠手工挑拣。
翘板黑瓜子与正常形态黑瓜子的主要区别在于表面平整度的不同，提取瓜子表面的三维
形状信息是黑瓜子翘板检测的关键。近年来，随着被动立体测定技术的发展，人们提出了许
多重要的方法来解决通过二维图像恢复三维立体信息的方法。如阴影恢复形状算法，它适用
于入射照明能被控制，对表面反射可精确建模的情况
[1]
；由纹理恢复形状技术要求纹理元素
具有统计特性
[2]
；利用随机微分方程进行三维表面重建，主要适用于非连续性的表面重建
[3]
；
另外，还有采用小波理论进行 3D表面重建，它是阴影恢复形状理论的延伸
[4]
。
光度立体法
[5]
作为一种非接触式三维重建方法，在卫星遥感领域和地形地貌恢复中应用
较多
[6]
，但是在农业生产领域的应用则很少。本文利用光度立体法进行了黑瓜子表面三维重
建的研究，并通过试验分析了该方法用于黑瓜子翘板识别的可行性。通常，光度立体法要求
被恢复的表面反射率相同，本文结合黑瓜子表面的特殊形态，进行了分区域重建表面的研究。
2．光度立体法基本原理
所谓光度立体法，是根据在不同光源方向的情况下拍摄的多幅图像的光强来计算物体表
面的方向梯度，从而获得图像的三维信息。
对于全扩散表面，即理想的朗伯表面，在平行光照下的反射分布函数为
[7]
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