基于颗粒聚合体的玉米果穗建模方法

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基于计算机视觉的玉米果穗三维重建方法

基于计算机视觉的玉米果穗三维重建方法王传宇;郭新宇;吴升;肖伯祥;杜建军【摘要】提出了一种快速、准确、自动化的基于计算机视觉的玉米果穗三维重建方法.以一定角度间隔旋转果穗获取各视角下的图像,通过双目立体视觉技术重建各视角下的玉米果穗表面点云,计算重投影误差去除点云中的外点,寻找两相邻图像的对应匹配点,并由匹配点确定果穗表面点云中三维配准点的集合,计算两相邻视角下配准点的旋转矩阵与平移向量,采用RANSAC方法检验配准模型的一致性.依次对各视角下的点云配准拼接获得整个果穗表面点云,进行冗余点去除、网格简化、纹理贴图等后处理,获得最终果穗三维造型.实验结果表明:重建模型的体积与实测值不存在显著性差异,所述方法能够满足玉米果穗三维重建的需求.【期刊名称】《农业机械学报》【年(卷),期】2014(045)009【总页数】7页(P274-279,253)【关键词】玉米果穗;三维重建;双目立体视觉;3D匹配;SIFT算法;RANSAC算法【作者】王传宇;郭新宇;吴升;肖伯祥;杜建军【作者单位】北京农业信息技术研究中心,北京100097;北京农业信息技术研究中心,北京100097;北京农业信息技术研究中心,北京100097;北京农业信息技术研究中心,北京100097;北京农业信息技术研究中心,北京100097【正文语种】中文【中图分类】TP391.41引言果穗是玉米产量的构成器官，其外在形态能够表征不同品种类型不同栽培措施条件下的产量变化。

因此，寻找一种快速、准确、简便的方法记录、再现、观察玉米果穗有重要意义。

如果能够在三维空间内获得玉米果穗表面点的三维坐标并进行可视化输出和三维测量，将为计算机考察果穗形态带来极大的便利。

广义的植物三维建模与三维可视化大体可分为以下3种方法：①基于参数模型，即通过观察测量大量实验数据，提炼数据中包含的主要规律与趋势，采用数学模型对这种规律与趋势进行描述[1－2]。

②基于三维数字化仪，即使用传感器将物体点的三维坐标转化为声、光、电等信号，再通过后端的软硬件设备解调信号还原物体点的空间位置[3－6]。

玉米果穗收获机虚拟收获设计与仿真试验

玉米果穗收获机虚拟收获设计与仿真试验
王建祥;慈翠荣;刘贤喜;张开兴
【期刊名称】《中国农机化学报》
【年(卷),期】2022(43)5
【摘要】针对玉米收获装备在研发设计过程中存在研发周期长、成本高、易受环
境因素影响且需要进行大量田间试验等缺陷,开展基于Unity3D的玉米果穗收获机虚拟仿真设计与收获试验。

首先,完成玉米果穗收获机虚拟仿真系统的总体设计、
虚拟仿真系统关键模块的设计以及玉米果穗收获机和植株的物理组件的设计。

其次,以漏果率为响应指标,以玉米收获机行进速度、割台高度和玉米种植密度为响应因
素进行虚拟的单因素试验和正交试验,得到影响玉米收获机漏果率的最优参数组合。

当收获机行进速度为2.986 m/s,玉米种植密度为6.7棵/m^(2),割台高度为0.42 m,漏果率最低为2.17%。

最后,利用最优参数开展田间验证试验。

结果表明:玉米收获机漏果率均值为2.36%,与优化结果基本一致,满足玉米果穗收获机的收获要求。

【总页数】7页(P7-13)
【作者】王建祥;慈翠荣;刘贤喜;张开兴
【作者单位】山东农业工程学院;山东农业大学机械与电子工程学院;山东省农业装
备智能化工程试验室
【正文语种】中文
【中图分类】S225.51
【相关文献】
1.玉米收获机切碎装置虚拟设计与动态仿真分析
2.对行玉米收获机与不对行玉米收获机的对比试验
3.鲜食玉米果穗收获机茎叶除杂装置设计
4.玉米联合收获机加装果穗剥皮机
5.玉米收获机脱粒装置虚拟样机设计与试验
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一种基于卷积神经网络的玉米制种果穗图像初级分类方法[发明专利]

专利名称：一种基于卷积神经网络的玉米制种果穗图像初级分类方法
专利类型：发明专利
发明人：马钦,崔雪莲,朱德海,郭浩,刘哲,张秦川,杨玲
申请号：CN201810344463.8
申请日：20180417
公开号：CN108549910A
公开日：
20180918
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明提供一种基于卷积神经网络的玉米制种果穗图像初级分类方法，包括：获取玉米果穗图像原始训练样本集和测试样本集；通过迁移学习方法，利用AlexNet卷积神经网络，根据判别得到每一果穗测试样本的所属类型及每一测试样本的实际所属类型，确定判别结果的准确率；若准确率在预设范围外，根据扩增果穗训练样本集，优化AlexNet卷积神经网络，得到第二卷积神经网络，并重新判别所述测试样本集中每一测试样本所属类型。

本发明通过从隐含层自主学习果穗图像由颜色、边等低层到角点、形状等高层特征的方式，避免了人工提取果穗图像特征的繁琐与片面，使卷积神经网络具有自主选取图像特征并进行学习、识别能力，对于玉米制种果穗初级自动化穗选提供了方法。

申请人：中国农业大学
地址：100193 北京市海淀区圆明园西路2号
国籍：CN
代理机构：北京路浩知识产权代理有限公司
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基于骨架的玉米植株三维点云果穗分割与表型参数提取

第37卷第6期农业工程学报 V ol.37 No.62021年3月Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Mar. 2021 295 基于骨架的玉米植株三维点云果穗分割与表型参数提取朱超，苗腾※，许童羽，李娜，邓寒冰，周云成（1. 沈阳农业大学信息与电气工程学院，沈阳 110866；2. 辽宁省农业信息化工程技术研究中心，沈阳 110866）摘要：当前三维点云处理技术难以在玉米植株点云上对果穗进行识别和表型参数提取。

针对该问题，该研究采用基于骨架的玉米植株器官分割流程对植株三维点云的果穗器官进行分割和表型参数提取。

首先，优化基于骨架的玉米植株茎叶分割方法，在成熟期植株点云上实现植株骨架的提取、器官子骨架的分解以及器官点云的分割；再根据器官高度、子骨架长度、圆柱特征和点云数量4个约束条件从器官点云中识别出果穗点云；最后提取果穗相关的表型参数。

试验结果表明，该研究方法对玉米果穗的识别率为91.3%；果穗点云分割的平均F1分数、精确度、召回率分别为0.73、0.82和0.70；穗位高、穗长、穗粗、株高穗位高比4个表型参数的提取值与人工实测值线性关系显著，决定系数分别为0.97、0.78、0.85和0.96，均方根误差分别为3.23 、4.98、 0.73 cm和0.07。

该研究方法具备提取果穗器官点云和表型参数的能力，可为玉米高通量表型检测、玉米三维重建等研究和应用提供技术支持。

关键词：植物；表型；机器视觉；玉米果穗；点云分割；骨架提取doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.06.036中图分类号：TP391.4 文献标志码：A 文章编号：1002-6819(2021)-06-0295-07朱超，苗腾，许童羽，等. 基于骨架的玉米植株三维点云果穗分割与表型参数提取[J]. 农业工程学报，2021，37(6)：295-301. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.06.036 Zhu Chao, Miao Teng, Xu Tongyu, et al. Ear segmentation and phenotypic trait extraction of maize based on three-dimensional point cloud skeleton[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(6): 295-301. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.06.036 0 引言玉米是世界上最重要的粮食作物之一，其产量对保障全球粮食供应至关重要。

基于EDEM的玉米子粒建模方法的研究

第52卷第1期河南农业大学学报V@52 No. 12018 年 2 月Journal of Henan Agricultural University Feb.2018文章编号：1000 -2340(2018)01 -0080-05基于EDEM的玉米子粒建模方法的研究王美美#，2,王万章#，杨立权#，侯明涛1(1.河南农业大学机电工程学院，河南郑州450002 ;2.安阳工学院机械工程学院，河南安阳455000)摘要：以玉米子粒为研究对象，通过三维光栅扫描技术获取其真实外形轮廓，将其作为几何体导入到EDEM软件中，采用半径为0.5 m m的球颗粒自动填充满几何体后，根据球颗粒坐标数据对离散元模型A P I文件进行修改，在EDEM软件中重新导入该A P I文件即可自动生成玉米籽粒三维离散元模型。

采用无底圆筒法在EDEM软件中对玉米子粒扫描自动填充模型和常规方法手动填充模型进行堆积角的离散元模拟试验，并与实际玉米子粒堆积角试验进行对比分析。

结果表明，自动填充模型和手动填充模型所得堆积角与实际试验结果误差分别为4. 45%和17. 54%，证明了扫描自动填充模型更接近真实的玉米子粒，仿真精度更高。

关键词：玉米；子粒；离散元模型；自动填充；堆积角中图分类号：S220. 1;TP391.9 文献标志码：AResearch of discrete element modeling metliod of maizekernel based on EDEMWANG Meimei1'2,WANG Wanzhang1，YANG Liquan1,HOU Mingtao1(1.College of Mechanical and Electrical Engineering,Henan Agricultural University，Zhengzhou450002，China；2.Department of Mechanical Engineering，AnyangInstitute of Technology，Anyang455000，China)Abstract*T his p a p e r focused on m aize k e r n e l，and its profile m odel scan n ed by A IC O N-B reuckm annS m artscan scan n er was im ported into the soft'ware ED EM as the geom etrical body. A fter the geom etricalbody was filled w ith 0. 5 mm rad iu s sp h erical p a rtic le s，the A PI file of d iscrete elem ent m odel wasm odified based on the coordinate d ata of sp h erical p articles. T he m aize k ern el 3D d iscrete elem entm odel was created autom atically w hen th e A PI file was re-im ported into th e soft'ware E D EM. T he repose angle sim ulation tests w ere con d u cted by bottom less cy lin d er for tw o m o d e ls using the softwareE D E M，m odel 1 filled autom atically b ased on scanning and m odel 2 filled m anuN ly basetional m e tlio d，an d w ere com pared w ith the real m aize k ern el repose angle test. T he th at the error betw een th e two m odel sim ulation test results and the actual test was 4.45%and 17. 54%，respectively w hich d em onstrated th at the m odel filled autom atically based on scanning could b e tte r fitthe actu al m aize k e r n e l，w ith h ig h er accuracy.Key words：m a iz e;k e r n e l;m odel of d iscrete e le m e n t；filled autom atically ；repose angle离散元法作为一种颗粒离散体物料的分析方元组成，根据离散物质本身所具有的离散特性建立法，将物料颗粒看做由一系列离散的独立运动的单数学模型，将需要分析的物体看做离散颗粒的集收稿日期：2017 -05 - 15基金项目：河南省现代农业产业技术体系玉米全程机械化岗位专项（S10 -02 -G07/2016)作者筒介：王美美（1986 —），女，河南安阳人，讲师，博士，主要从事农业机械化方面的研究。

玉米穗部性状的遗传模型_吕艳杰

σ^ 2g
2． 167 2 0． 028 5 0． 417 0． 003 14． 096 9 595． 697 2 16． 218 2
Vg （ %） 54． 11 87． 56 92． 37 77． 02 2． 68 61． 75 36． 91
Vs （ %） 45． 89 12． 44 7． 63 22． 98 97． 32 35． 25 63． 09
由表 4 可知，试验中穗粒重 H0 ： βF + M = 0 时，t = 0. 556，不
显著，被接受；测验 H0 ： βF + M = 1，t = 57． 233，极显著，说明玉米穗粒重的遗传不符合加性－显性模型。需进行方差分析进一步确定其遗传模型。从表 3 可知，测验 H0 ： h = 0，试验中的 F = 16. 122，达极显著水平，说明存在显性效应。测验 H0 ： I = 0，F = 28． 383，达显著水平，说明穗粒重上位性效应也真实存在。测验 H0 ： pq = uv，试验中的 F = 1. 385，不显著，表明控制穗粒重性状的增减效等位基因频率在雌雄亲间可能相同。
F（ H0 ： h = 0 ） 16． 122＊＊ 10． 845＊＊ 0． 846 1． 021 15． 78＊＊ 11． 96＊＊ 13． 923＊＊
F（ H0 ： I = 0） 28． 383＊＊ 12． 552＊＊ 2． 653* 1． 65 8． 43＊＊ 7． 538＊＊ 14． 007＊＊
性状穗粒重百粒重籽粒长
穗长穗粗穗行数行粒数
b 0． 01 0． 059 0． 052 － 0． 764 0． 257 0． 323 － 0． 02
Sb 0． 017 0． 051 0． 081 0． 436 0． 043 0． 042 0． 198

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4）由前面计算出的玉米芯小块参数，计算玉米芯小块各组成球的球心坐标和半径。如图 6 所示，以第 i 号玉米芯小块为例，设玉米芯小块的长度（即所在段长度）、行内偏移角度、行间偏移量、所在段大小端半径和对应的段行粒数分别为 leni、αi、pi、rxi、rsi 和 rownumi，其中 αi 和 pi 由用户设定，其他参数由步骤 3）求得。玉米芯小各组成球编号分别为 0， 1， …，块组成球个数为 rownumi， j，…，rownumi–1。由大小端半径及段行粒数采用步骤 3）中的算法即可求出组成球 j 的直径 dj(mm)为（1） dj=(2×j+1)×(rxi–rsi)/(2×rownumi)+rsi 由玉米芯小块编号 i、组成球编号 j、行内偏移角度计算出组成球沿 X 轴轴向偏移角度，然后即可计算出玉米芯局部坐标系下组成球半径及球心的 X、Y、Z 坐标分别为（2） rj=0.5×dj =(2× j +1)× len / rownum （3） X 芯j i i （4） Y 芯 j= rj×sin(i×θ+j×αi) （5） Z 芯 j= rj×cos(i×θ+j×αi)
第8期
于亚军等：基于颗粒聚合体的玉米果穗建模方法
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图 6 第 i 号玉米芯小块结构简图 Fig.6 Schematic of the number i piece of corn cob
计算玉米芯组成球的行间偏移量算法为：将玉米芯小块编号以行数为模取余，即将玉米芯小块的编号化为 0～(row–1)，当编号为偶数时球心位置不变，奇数时组成球球心 X 坐标增加 pi。采用上述方法建立的玉米芯几何模型，如图 7 所示。
※
（1. 吉林大学生物与农业工程学院，长春 130022； 2. 吉林大学计算机科学与技术学院，长春 130012）摘要：在采用离散元法分析玉米脱粒过程时，需要建立玉米果穗的分析模型。该文根据玉米果穗的结构和形态，提出基于颗粒聚合体的玉米果穗分析模型建模方法，并研制了玉米果穗的建模软件，同时添加到自主研制的玉米脱粒过程分析软件中。通过实际玉米果穗与其分析模型的对比和玉米脱粒过程的初步仿真分析，证明了该玉米果穗建模方法的可行性，为采用离散元法分析玉米的脱粒过程奠定了基础。关键词：仿真分析，建模，软件，玉米，脱粒，颗粒聚合体，离散元法 doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2012.08.026 中图分类号：TP391.7 文献标志码：A 文章编号：1002-6819(2012)-08-0167-08 于亚军，周海玲，付宏，等. 基于颗粒聚合体的玉米果穗建模方法[J]. 农业工程学报，2012，28(8)：167－174. Yu Yajun, Zhou Hailing, Fu Hong, et al. Modeling method of corn ears based on particles agglomerate[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(8): 167－174. (in Chinese with English abstract)
Fig.4
图 4 全局坐标系和局部坐标系 Global coordinate system and local coordinate system of corn cob 图 5 中段 1 玉米芯轴向截面的结构简图 Fig.5 Schematic of axial section of mid-part corn cob
图 2 玉米芯结构 Fig.2 Structure of corn cob
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农业工程学报
2012 年
通常玉米籽粒截面近似梯形，其几何形状可用上底宽、下底宽、高度和厚度表征，见图 3。
图 3 玉米籽粒结构 Fig.3 Structure of a corn kernel
2 玉米果穗分析模型建模方法
Fig.7
图 7 玉米芯分析模型 Analysis model of corn cob
2.2
玉米籽粒分析模型建模方法玉米籽粒分析模型建模方法及主要步骤如下： 1）首先建立玉米籽粒局部坐标系 O′X′Y′Z（ ′ 见图 8），坐标原点为玉米籽粒质心，X′轴与 X 轴（见图 4）平行，籽粒质心和籽粒对应玉米芯组成球心连线为 Y′轴， Z′轴由右手定则确定。 2）每个玉米籽粒采用一定数量的单层球组合而成[10]，球直径即为玉米籽粒的厚度，玉米籽粒上底、下底和 2 侧各采用一定数量的球组合，籽粒内部也采用球填充。对籽粒进行受力分析时，计算出各组成球的作用力并求合力，即是作用在该籽粒上的作用力。为了简化算法和编程，玉米籽粒视为一个整体，各组成球不再分离，即玉米籽粒不破碎。脱粒过程中籽粒破碎判断，是通过计算籽粒上的最大作用力，并与试验得到的破碎力比较来实现。
不同品种的玉米果穗可用如下参数表征：玉米果穗长、籽粒行数、行粒数、每段果穗大小端直径、每段长度、每段行内籽粒偏移角度和行间籽粒偏移量[6-7]。其中行内籽粒偏移角度为同一行内相邻玉米籽粒中心连线与果穗轴线的夹角，行间籽粒偏移量为相邻 2 行同一位置玉米籽粒中心在轴向上的距离，见图 1a。通常玉米芯也近似圆台形，与玉米果穗对应，玉米芯也可分为前段、中段 1、中段 2 和末段，其几何形状也可用玉米芯每段大小端直径、每段长度和总长度表征，见图 2。
第 28 卷 2012 年
第8期 4月
农业工程学报 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering
Vol.28 No.8 Apr. 2012
167
基于颗粒聚合体的玉米果穗建模方法
于亚军 1，周海玲 1，付宏 2，吴玄辰 1，于建群 1
对应小块编号为 0 ～(row–1) ，第 k 段对应小块编号为 (k–1)×row～(k×row–1)，全部小块编号为 0， 1， …， i， …， (n×row–1)。 2）由输入的玉米芯前段和末段大小端半径、长度和段行粒数，确定玉米芯分析模型的前段和末段的大小端半径、长度和段行粒数。 3）当中段 1 和中段 2 玉米芯分为 n1、n2 段时，由输入的玉米芯中段 1 和中段 2 大小端半径、长度和段行粒数，通过比例关系计算出各段玉米芯分析模型的大小端半径、长度和段行粒数（1 段玉米穗上 1 行玉米籽粒的个数）。如图 5 所示，以中段 1 玉米芯为例，设中段 1 的各小段编号分别为 0，1，…，k，…，n1–1。设中段 1 玉米芯的长度为 len1（mm），段行粒数为 rownum1，大小端半径分别 rx（mm）、rs（mm），∆r（mm）为大小端半径之差，∆rxk（mm）、∆rsk（mm）分别为第 k 小段玉米芯大小端半径与 rs 之差。由三角形比例关系即可计算出 ∆rxk、∆rsk 分别为(k+1)×∆r/n1、k×∆r/n1，第 k 小段玉米芯的大小端半径分别为 ∆rxk+rs、∆rsk+rs。各段玉米芯长度为 len1/n1，段行粒数为 rownum1/n1。
可根据果穗的结构再分为小段，通常每一段几何形状近似成圆台形。如图 1b 所示，玉米果穗截面上可由籽粒行数 row 划分成相应的块数，每一块玉米果穗的截面为角度 θ（°）的扇形平面（θ=360°/row）。
图 1 玉米果穗结构 Fig.1 Structure of corn ear
1 玉米果穗结构分析
0 引
言
在采用离散元法[1-2]分析玉米脱粒过程时，需要建立玉米果穗的分析模型。对于玉米果穗的建模研究，目前主要集中在虚拟作物的研究方面。如王雪提出的基于骨实现了对玉米生长运架模型的玉米生长运动仿真方法[3]，动的可视化模拟；刘晓东提出的基于 Loop 细分格式的虚拟作物果实建模[4]，实现了对小麦和玉米果实形态的建模。而基于分析玉米脱粒过程的玉米果穗建模，并能够实现玉米籽粒脱落和玉米芯的断裂，尚未见报道。本文提出一种玉米果穗建模的新方法——颗粒聚合体方法[5]，同时研制了玉米果穗建模软件。采用该建模方法建立的玉米果穗分析模型，不仅能够模拟玉米果穗的结构和形态，还可以模拟玉米脱粒时，籽粒脱落和玉米芯的破碎。本文的研究工作为采用离散元法分析玉米的脱粒过程奠定了基础。
玉米果穗的结构如图 1 所示，包含玉米芯和生长在芯上的籽粒 2 个部分。通过对玉米果穗结构和形态分析，同时为了实现不同品种玉米果穗的模拟，将果穗在轴向上分成 4 段，即前段、中段 1、中段 2 和末段，如图 1a 所示。其中前段和末段不再细分，中段 1 和中段 2 部分
收稿日期：2011-12-10 修订日期：02-24
段玉米果穗分析模型的大小端半径，其中中段 1 和中段 2 分成各段的大小端玉米果穗半径与各段玉米芯模型的大小端半径计算方法相同。 b）由玉米芯小块的参数计算出各玉米籽粒的参数（上底宽、下底宽、高度和厚度）和质心坐标。如图 8 所示，以玉米芯小块 i 及第 j 号组成球对应的玉米籽粒为例，设玉米芯小块所在段大小端果穗半径为 srx（ i mm）和 srsi （mm），其他参数见 2.1 节。由玉米芯小块对应的段长度及段行粒数计算出籽粒厚度 d 厚 j（mm）为（6） d 厚 j=leni/rownumi 由大小端果穗半径、大小端芯半径、段行粒数，计算出籽粒质心位置对应的果穗半径 rad 穗 j（mm）、芯半径 rad 芯 j（mm）、籽粒上底面宽度 d 上 j（mm）、下底面宽度 d 下 j（mm）见图 9 分别为 rad 穗 j=(2×j+1)×(srxi–srsi)/(2×rownumi)+srsi （7） rad 芯 j =(2×j+1)×(rxi–rsi)/(2×rownumi)+rsi （8）（9） d 上 j=2×rad 穗 j×tan(θ/2) （10） d 下 j=2×rad 芯 j×tan(θ/2) 由籽粒质心对应的果穗半径和芯半径，计算出籽粒的高度 d 高 j（mm），由籽粒的高度计算出质心与玉米果穗轴线的距离 h（mm），分别为（11） d 高 j=rad 穗 j–rad 芯 j （12） h=2×d 高 j/3+rad 芯 j