具有自動校準功能的植物形態參數視覺測量儀的製作方法

2024-03-22 13:07:05 1

專利名稱：具有自動校準功能的植物形態參數視覺測量儀的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種測量技術領域的儀器，具體是一種具有自動校準功能的植物 形態參數視覺測量儀。
背景技術：
精確自動地測量植物形態參數是實現植物生長情況自動控制的前提，也是農 作物田間調査的主要內容之一，更是種質資源調査與鑑定、作物長勢分析與預測 的基礎。在眾多的植物形態參數中，尺寸類參數(例如株高、莖粗、葉片長寬與 面積等)和顏色參數(例如花色、葉色、種粒色)的測量難度最大，精度難於保 障。傳統的形態參數測量方法是對於尺寸參數採用人工用尺測量的方法，對於 顏色參數採用標準色塊比對的方法，費時費力，且結果不可靠，人為因素影響大。 有人採用接觸類傳感器或者輕質夾具測定上述尺寸類參數，但對作物有損傷，且 操作複雜。
目前，發達國家已開始應用機器視覺技術來獲取作物的生長狀態信息。這類 方法具有非接觸、自動化、高智能、多功能的一系列優點。國內也有一些研究單
位開始研究，但是這類方法的弊端是對於尺寸類參數，測量距離對結果影響很 大。測量過程中必須確定該距離，並進行適當補償與修正。對於顏色類參數，拍 攝圖像時環境光的影響很大，結果偏差大。
經對現有技術的檢索發現，中國專利"遠程無線作物信息反饋和可控環境農
業智能化系統"(申請號200410004716. 5，公開號CN1559175)，公開了一種遠 程無線作物信息反饋和可控環境農業智能化系統，其中的生理診斷監測系統由植 物生長數據傳感器和植物數據分析處理器組成，對執行器件進行智能化控制，它 能監測記錄植物生長數據如莖粗、果實大小等，但專利並未明確採用何種傳感器 和原理，如何檢測上述參數。無顏色參數檢測內容。
檢索中還發現，中國專利"一種用於農作物生長狀態監測及營養施肥處方 生成裝置和方法"(申請號200410014648.0，公開號CN1561669)，使用攝像機和營養成分檢測儀對農作物進行實時監測，圖像信號經過數位化儀後，進入計 算機資料庫，通過圖形處理獲得植物生長信息。但是並沒有詳細描述如何保障測 量精度。無顏色參數檢測內容。

發明內容
本發明的目的在於針對現有技術的不足，提出一種具有自動校準功能的植物 形態參數視覺測量儀，不僅可以採用攝像機全自動獲取被測目標圖像，同時可以 自動測量攝像機與被測植物的距離，從而實現自動校準圖像測量結果，保證測量 精度不變，可以滿足不同形態參數的自動測量要求。與此同時，採用白色發光二 極管進行主動照明，克服了環境光對顏色參數測量的影響。此外，測量系統採用 基於DSP的一體化模塊設計和可充電鋰電池供電方案，從而構成可攜式測量儀 器，並採用防水設計方案，可以適應田間測量環境條件。
本發明是通過以下技術方案實現的，本發明所述測量儀由探頭和測量箱兩部 分通過電纜連接組成，探頭包含有攝像機、鏡頭、光源、測距儀、按鍵、外殼和 電纜，鏡頭安裝在攝像機前端；光源由多個發光二極體組成環形結構，圍繞在鏡 頭外側，測距儀設置在在鏡頭外側，並與上述多個發光二極體一起構成環形結構， 按鍵設置在外殼的正上方，電纜與後面的測量箱連接，傳遞測量與控制信號。
測量箱內包含有微處理器、圖像卡、測量卡、驅動卡、顯示器、存儲器，探 頭對準待測植株的需要測量的部位，通過外殼上方的按鍵控制探頭工作與否，光 源由微處理器通過驅動卡來控制點亮，照亮待測植物的測量部位，攝像機拍攝植 物圖像，並轉化為數字圖像，該圖像信息通過電纜和圖像卡送入微處理器進行處 理。攝像機與被測部位的距離由雷射測距儀進行測量，該距離信息通過測量卡送 入微處理器中，微處理器對測量結果進行自動修正和補償，經過修正的測量結果 在顯示器上顯示，並自動保存在存儲器之中。
測量結束後，測量箱通過USB電纜將測量箱與其他電腦相連，把測量結果上 傳到另外電腦之中，進行數據匯總，生成各種所需要的報表。與此同時，通過 USB接口對測量箱內的鋰電池充電。
所述微處理器為DSP微處理器.
所述攝像機為數字攝像機，以便於同微處理器連接和傳遞圖像信號。像素在 一百萬像素以上。所述鏡頭為廣角鏡頭，其變形率<2%，視角〉60° 。
所述測距儀為雷射測距儀，使用可見雷射，直接測量攝像機到植物之間的實 際距離，並送入微處理器，在數據處理過程中對圖像測量結果自動進行修正和補 償。
所述光源採用具有較寬光譜範圍的白色發光二極體(LED)光源，光譜範圍 包含整個可見光，照亮植物的待測部位，獲取待測圖像，並同測量儀內置的標準 色塊圖像進行對比，從而得到所需的顏色參數。
所述LED光源可有多個LED發光二極體組成，可為環形結構，圍繞在鏡頭外 側，以便提供均勻的照明。
所述存儲器為大於1G的FLASH存儲器，它可以將獲取的圖像和處理結果同 時保存起來，即使斷電也不會丟失。在田間調査結束後，還可以上傳到其他電腦 中，進一步進行分析和處理。
所述顯示器為液晶顯示器。
所述探頭和測量箱全部採用防水、防塵、防振結構，實現防濺水、防灰塵、 防震動。探頭上所有外露器件均採用密封，實現防塵防水。 所述測量箱採用翻蓋式結構。
本發明採用採用高解析度攝像機和大視角廣角鏡頭，非接觸獲取植物圖像， 並通過圖像處理、模式識別和數值計算獲得被測參數結果。採用雷射測距儀探測 攝像機與被測部位的距離，自動進行修正和補償，徹底解決了傳統測量方法對觀 測距離要求苛刻並需要手工進行修正的弊端。採用白色LED光源進行主動照明， 消除環境光對顏色參數測量的影響，保障測量結果的一致性和環境適應性。採用 高性能DSP晶片和可充電鋰電池組成可攜式測量儀器，測量結果保存在內部 FLASH存儲器中，可以滿足絕大多數田間調査的使用要求，並能保證較高的測量 精度。
本發明同樣也可以用於實現其他場合和目標的長度、角度以及顏色測量器 具，例如動物、食品、服裝等場合。


圖1為本發明的結構組成示意圖； 圖2為本發明的測量儀探頭示意圖；上述圖中l為攝像機，2為鏡頭，3為測距儀，4為光源，5為探頭，6為 測量箱，7為測量箱，8為外殼，9為按鍵。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明的實施例作詳細說明本實施例在以本發明技術方案 為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護 範圍不限於下述的實施例。
如圖1和圖2所示，本實施例測量儀由探頭5和測量箱7兩部分組成，探頭 5包含有攝像機1、鏡頭2、光源4、測距儀3、按鍵9、外殼8和電纜6，測量 箱7包含有DSP微處理器、圖像卡、測量卡、驅動卡、顯示器、存儲器、鍵盤、 USB接口、充電器和鋰電池。鏡頭2安裝在攝像機1前端；光源4由多個發光二 極管組成，為環形結構，圍繞在鏡頭2外側；測距儀3佔據其中一個發光二極體 的位置，結構緊湊；按鍵9設置在外殼8的正上方，便於操作；電纜6與後面的 測量箱連接，傳遞測量與控制信號；DSP微處理器、圖像卡、測量卡、驅動卡、 顯示器、存儲器、鍵盤、USB接口、充電器和鋰電池等部件安置在測量箱內。
操作者手持探頭5對準待測植株的相關部位(例如整個植株、莖杆、豆莢、 葉片、種粒等部位)，然後按下探頭上方的按鍵9。在微處理器的控制下，照明 光源4被點亮並照亮待測植物的測量部位，植物在該部位的圖像通過鏡頭成像到 攝像機1的成像器件(例如CCD或者CMOS)上，並轉化為數字圖像。該圖像信 息通過電纜6和圖像卡送入微處理器進行處理。攝像機與被測部位的距離由雷射 測距儀3進行測量，該距離信息通過電纜6和測量卡送入微處理器中，對測量結 果進行自動修正和補償。經過修正的測量結果在測量箱的液晶顯示器上顯示，並 自動保存在測量箱內的存儲器之中。
本實施例當全部測量工作結束之後，通過USB電纜將測量箱與其他電腦相 連，可以把測量結果上傳到另外電腦之中，進行數據匯總，生成各種所需要的報 表。與此同時，通過USB接口，充電器對測量箱內的鋰電池充電。
本實施例的測量儀的攝像機1採用高像素的數字攝像機， 一般採用USB接口 或者1394接口，以便於同測量箱6連接和傳遞圖像信號。成像器件可採用CCD 或者CMOS,其像素數一般高於一百萬，較佳地採用200萬像素，以便測量儀能 夠捕捉被測植物的細節信息(例如分櫱、絨毛、斑紋等)。為了保證測量儀能夠在較近距離測量較大尺寸的參數(例如株高)，本實施 例的鏡頭2採用了低變形率(60° )的廣角鏡頭甚至魚眼鏡頭， 並輔以鏡頭畸變校正算法，從而有效解決了田間採集時植株之間距離短、採集空 間距離有限的難題。
為了消除採樣時攝像機1與被測植株距離不同對測量結果產生的影響，本實 施例採用了內置的雷射測距儀3直接測量攝像機1到被測植物之間的實際距離， 並送入微處理器，在數據處理過程中對圖像測量結果自動進行修正和補償，從而 有效解決了觀測距離對結果的影響，避免了傳統的視覺測量過程對觀測距離與位 置的苛刻限制，也避免了觀測結束後人工手動操作進行數據處理與距離修正的麻 煩與不便。
與此同時，本實施例採用的雷射測距儀3使用可見雷射，操作者可以清楚看 見測距儀3發出的雷射在植物被測部位形成的光斑，因此操作者無需觀察屏幕即 可完成對被測部位的準確瞄準，其方法類似於使用雷射指示器，非常方便、簡單。
為了消除環境光變化對顏色參數(例如花色、葉色、絨毛色、病斑色等)的 影響，本實施例的測量儀採用光源4進行主動照明，而不是藉助於自然光。為了 保證顏色測量的準確性，降低系統功耗，增強耐用性，本實施例採用具有較寬光 譜範圍的白色發光二極體(LED)作為發光光源，光譜範圍包含整個可見光，照 亮植物的待測部位，獲取待測圖像，並同測量儀內置的標準色塊圖像進行對比， 從而得到所需的顏色參數。該標準色塊圖像是在光源4的照明下，對標準色塊進 行拍攝所得到的標準圖像，並預先保存在測量儀的存儲器內部，供顏色參數測量 時比對之用。該LED光源可有多個LED發光二極體組成，可為環形結構，圍繞在 鏡頭外側，以便提高均勻的照明。
本實施例採用高性能DSP數位訊號處理晶片為核心，完成圖像處理、數據運 算、補償與修正、結果顯示與保存、對外通訊等所有工作，同時具有體積小、重 量輕、價格低、穩定耐用的特點，由此形成可攜式測量儀器，滿足田間調查的要 求。
本實施例採用LCD液晶顯示器顯示攝取的圖像和處理結果，此外還可以顯示 各種有用的輔助信息。因此，同傳統的只顯示圖像的其他儀器相比，本實施例的 測量儀不僅功耗低，而且功能更多、性能更好、更實用。採用大容量(不低於1G，較佳地採用4G容量)的FLASH存儲器是本實施例 的一大特色，它可以將獲取的圖像和處理結果同時保存起來，即使斷電也不會丟 失。在田間調査結束後，還可以上傳到其他電腦中，進一步進行分析和處理。
本實施例的測量儀採用了USB通訊接口，因此可以方便地與PC機、印表機 或其他設備連接，進行數據傳輸、統計分析、列印結果與報表等。
本實施例的供電系統採用大容量(1000mAh，較佳地採用4000mAh以上)的 可充電式鋰電池，可以滿足測量儀長時間田間調查工作需要，同時又符合環保要 求。對鋰電池的充電直接利用USB接口，當測量儀與其他電腦通過USB接口連接 時，自動對鋰電池進行充電。當充電結束後，自動停止充電過程。
本實施例的探頭5和測量箱7全部採用防水、防塵、防振結構，實現防濺水、 防灰塵、防震動。探頭上所有外露器件(包括按鍵9、雷射測距儀3、光源4、 外殼8、電纜6等)均採用密封，實現防塵防水。測量箱7採用翻蓋式結構，液 晶顯示器安置在頂蓋內側，工作時翻開，類似於筆記本電腦。鍵盤具有防水功能， 可以克服水濺和雨滴的灑落。當防水、防塵和防震等級要求降低時，可以採用防 水型或者普通型筆記本電腦代替測量箱。
權利要求
1、一種具有自動校準功能的植物形態參數視覺測量儀，由探頭和測量箱兩部分通過電纜連接組成，其特徵在於所述探頭包含有攝像機、鏡頭、光源、測距儀、按鍵、外殼和電纜，鏡頭安裝在攝像機前端；光源由多個發光二極體組成環形結構，圍繞在鏡頭外側，測距儀3設置在在鏡頭外側，並與上述多個發光二極體一起構成環形結構，按鍵設置在外殼的正上方，電纜與後面的測量箱連接，傳遞測量與控制信號；所述測量箱內包含有微處理器、圖像卡、測量卡、驅動卡、顯示器、存儲器，探頭對準待測植株的需要測量的部位，通過外殼上方的按鍵控制探頭工作與否，光源由微處理器通過驅動卡來控制點亮，照亮待測植物的測量部位，攝像機拍攝植物圖像，並轉化為數字圖像，該圖像信息通過電纜和圖像卡送入微處理器進行處理；攝像機與被測部位的距離由雷射測距儀進行測量，該距離信息通過測量卡送入微處理器中，微處理器對測量結果進行自動修正和補償，經過修正的測量結果在顯示器上顯示，並自動保存在存儲器之中。
2、 如權利要求1所述的具有自動校準功能的植物形態參數視覺測量儀，其 特徵是，所述攝像機為數字攝像機，以便於同微處理器連接和傳遞圖像信號，其 成像器件的像素在一百萬像素以上。
3、 如權利要求1所述的具有自動校準功能的植物形態參數視覺測量儀，其 特徵是，所述鏡頭為廣角鏡頭，其變形率〈2%，視角>60° 。
4、 如權利要求1所述的具有自動校準功能的植物形態參數視覺測量儀，其 特徵是，所述測距儀為雷射測距儀，直接測量攝像機到植物之間的實際距離，並 送入微處理器，在數據處理過程中對圖像測量結果自動進行修正和補償。
5、 如權利要求1或4所述的具有自動校準功能的植物形態參數視覺測量儀， 其特徵是，所述測距儀為雷射測距儀，其使用的為可見雷射。
6、 如權利要求1所述的具有自動校準功能的植物形態參數視覺測量儀，其 特徵是，所述光源為白色發光二極體光源，光譜範圍包含整個可見光，照亮植物 的待測部位，獲取待測圖像，並同測量儀內置的標準色塊圖像進行對比，從而得 到所需的顏色參數。
7、 如權利要求6所述的具有自動校準功能的植物形態參數視覺測量儀，其 特徵是，所述標準色塊圖像是在光源的照明下，對標準色塊進行拍攝所得到的標 準圖像，並預先保存在存儲器內部，供顏色參數測量時比對之用。
8、 如權利要求1所述的具有自動校準功能的植物形態參數視覺測量儀，其 特徵是，所述存儲器為大於1G的FLASH存儲器。
9、 如權利要求1所述的具有自動校準功能的植物形態參數視覺測量儀，其 特徵是，所述探頭和測量箱為防水、防塵、防振結構，探頭上所有外露器件均密 封。
10、 如權利要求1或9所述的具有自動校準功能的植物形態參數視覺測量儀， 其特徵是，所述測量箱為翻蓋式結構。
全文摘要
一種具有自動校準功能的植物形態參數視覺測量儀，採用高解析度攝像機和大視角廣角鏡頭，非接觸獲取植物圖像，並通過圖像處理、模式識別和數值計算獲得被測參數結果。採用雷射測距儀探測攝像機與被測部位的距離，自動進行修正和補償，徹底解決了傳統測量方法對觀測距離要求苛刻並需要手工進行修正的弊端。採用白色LED光源進行主動照明，消除環境光對顏色參數測量的影響，保障測量結果的一致性和環境適應性。採用高性能DSP晶片和可充電鋰電池組成可攜式測量儀器，測量結果保存在內部FLASH存儲器中，可以滿足絕大多數田間調查的使用要求，並能保證較高的測量精度。
文檔編號G01B11/00GK101294792SQ20081003919
公開日2008年10月29日 申請日期2008年6月19日 優先權日2008年6月19日
發明者劉偉文, 曹越平, 輝 趙, 偉 陶 申請人:上海交通大學