野外昆蟲圖像自動採集裝置及其圖像採集方法
2023-07-16 10:29:41
專利名稱：野外昆蟲圖像自動採集裝置及其圖像採集方法
技術領域：
本發明涉及一種野外昆蟲圖像自動採集裝置，屬於圖像採集裝置技術領域。
背景技術：
稻飛蝨是一種遷飛性害蟲，生長繁殖快，危害程度大，容易造成水稻嚴重減產。根 據中華人民共和國國家標準，燈光誘測是《稻飛蝨測報調查規範》(GB/T15794-1995)中的一 種。用200W白熾燈作標準光源，燈源高地面1. 5m，上方架設防雨罩，下方裝集蟲漏鬥，漏鬥 口下裝毒瓶。從早發年份的成蟲初見期前IOd開始，至常年終見期後IOd結束。每天天黑 前開燈，天明後關燈。逐日將誘得的成蟲計數，並區別種類。因此，獲取田間稻飛蝨蟲口密 度是防治水稻受害的一項重要指標。隨著科學技術發展，根據稻飛蝨圖像中的信息，自動鑑 定稻飛蝨種類已成為可能。因此，需要一套野外稻飛蝨圖像自動採集裝置，實時獲取昆蟲數 字圖像。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種野外稻飛蝨等昆蟲圖像自動採集裝置，可 以實現實時獲取處於自然狀態下的昆蟲數字圖像，以便獲取田間稻飛蝨蟲口密度，預防水 稻受害，也為科研、教學、生產實踐提供自然的昆蟲數字圖像。為解決上述技術問題，本發明提供一種野外昆蟲圖像自動採集裝置，包括底座、採 集工作檯、拍攝系統和控制系統，其特徵在於所述採集工作檯沿X向設置於底座上，拍攝 系統沿Y向設置於底座上，所述拍攝系統包括攝像機、安裝於攝像機上的顯微變焦距鏡頭 及冷光源，所述控制系統包括相互連接的微控制器和PC機，所述微控制器通過X向進給裝 置控制採集工作檯沿X向運動，微控制器通過採集工作檯上的幕布驅動裝置控制採集工作 臺幕布沿Z向滾動，所述攝像機與PC機相連。前述的野外昆蟲圖像自動採集裝置，其特徵在於所述幕布驅動裝置包括設置在 採集工作檯上的主動輥，所述主動輥與幕布驅動裝置相連，從動輥與主動輥平行設置，採集 工作檯幕布作為傳送帶連接於主動輥與從動輥之間。前述的野外昆蟲圖像自動採集裝置，其特徵在於所述採集工作檯幕布為白色的 確良幕布，且豎直布置。前述的野外昆蟲圖像自動採集裝置，其特徵在於在所述主動輥與從動輥的外圓 周設有襯套。前述的野外昆蟲圖像自動採集裝置，其特徵在於所述X向進給裝置包括與微控 制器相連的採集工作檯驅動裝置，採集工作檯驅動裝置與絲杆直接相連，所述採集工作檯 兩側通過導軌副設置於底座上。前述的野外昆蟲圖像自動採集裝置，其特徵在於所述拍攝系統包括拍攝光源和 攝像機，所述拍攝光源為環形冷光源，設置於光源支架上，所述攝像機設置於攝像機支架 上，所述光源支架和攝像機支架分別設置於光源工作檯和攝像機工作檯上。
前述的野外昆蟲圖像自動採集裝置，其特徵在於在所述控制系統中，與攝像機相 連的圖像採集卡安裝在PC機的PCI插槽內，PC機上安裝昆蟲圖像採集處理模塊，所述PC機 通過接口電平轉換晶片與微控制器相連。前述的野外昆蟲圖像自動採集裝置的圖像採集方法，其特徵在於包括以下步 驟1)系統上電，利用微控制器的鍵盤手動分別調整幕布驅動裝置和採集工作檯驅動 裝置，使採集工作檯到達指定位置；2)每隔30分鐘，掃描採集一次圖像；3)每次採集圖像，採集工作檯沿X向位移50mm，向PC機發出信號，X向電機停止 ls，拍攝圖像；4)採集工作檯幕布沿Z向位移50mm，向PC機發出信號，Z向電機停止ls，拍攝圖 像，連續工作10次；5)採集工作檯X向位移50mm停止，執行Z向工作，重複5次後採集工作檯返回初 始位置，每次圖像拍攝在採集工作檯停止後進行，避免出現圖像殘缺現象；6)攝像機把圖像信息通過電纜輸入到圖像採集卡的圖像輸入端，PC機上運行圖 像捕捉程序，並按要求把圖片保存到指定位置。本發明所達到的有益效果本發明結構簡單，成本低，可實時採集獲取處於自然狀 態下的昆蟲數字圖像，以便獲取田間稻飛蝨蟲口密度，預防水稻受害，也為科研、教學、生產 實踐提供自然的昆蟲數字圖像。
圖1為本發明的野外昆蟲圖像自動採集裝置系統工作示意圖
圖2為本發明的野外昆蟲圖像自動採集裝置整體結構示意圖
圖3為X向進給系統傳動簡圖4為X向絲杆進給裝置結構示意圖5為拍攝系統組成示意圖6為採集工作檯的結構示意圖7為本發明中微控制器的應用系統；
圖8為7SH20403聯線圖9為KA-022W8聯線圖10為本發明的控制流程圖11為PC機與微控制器串口通信硬體圖12為圖像採集卡工作原理框圖13為拍攝系統程序框圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明作進一步的說明。野外昆蟲圖像自動採集裝置主要由控制系統、採集工作檯、X向進給裝置和拍攝系 統構成，如圖1所示。根據稻飛蝨等昆蟲的撲光性，選用160W自鎮流螢光高壓汞燈將稻飛
4蝨誘集到白色的確良幕布上，採集其數字圖像；控制系統控制幕布驅動裝置和X向進給裝 置的運動，實現白色幕布X向和Z向運動，每隔一定時間，實時掃描拍攝多幅圖像；拍攝系統 通過環形冷光源和攝像機獲取稻飛蝨等昆蟲圖像反饋給計算機，進行圖像數據分析處理。圖3為X向進給裝置傳動簡圖。所述X向進給裝置包括與微控制器相連的採集工 作臺驅動裝置21，採集工作檯驅動裝置21與絲杆22直接相連，所述採集工作檯兩側通過導 軌副設置於底座100上。採集工作檯驅動裝置所用電機為兩相混合式步進電動機。微控制 器驅動步進電機，步進電機與絲杆直連，絲槓帶動採集工作檯將旋轉運動轉換為直線運動， 實現橫向進給。圖4為X向絲杆進給裝置結構示意圖，本發明的圖像數控採集裝置轉速中等，精度 要求一般，絲槓採用兩端支撐結構。導軌副保證採集工作檯的正確運動軌跡。該裝置中速中精度，負載較小，主要起導 向作用，選擇車屜滑軌。採集工作檯主要由幕布驅動裝置11、主動輥12、從動輥13、採集圖像工作檯幕布 14及機架15等組成，如圖6所示。根據稻飛蝨等昆蟲的撲光性，選用160W自鎮流螢光高 壓汞燈將稻飛蝨誘集到白色的的確良採集工作檯幕布上。經過實驗，採集工作檯幕布使用 的確良白布，一方面可以採集到自然狀態下稻飛蝨的樣本圖像；另一方面，圖像背景顏色單 一，方便以後圖像處理。幕布驅動裝置是採集工作檯幕布帶式傳動的動力來源，採用步進電 機，由輸入步進電機脈衝頻率決定轉速，步進電機選用PX245-11A。傳動滾筒採用軸作為主動輥，傳動軸上覆蓋摩擦係數較大的襯套，增大表面摩擦 係數，增大摩擦力提高傳動裝置的牽引力，步進電機與傳動軸直連，傳遞動力，採集工作檯 幕布帶動從動輥。從動輥亦採用軸，表面覆蓋摩擦係數較大的襯套。鑑於該裝置的小扭矩， 直接採用採集工作檯幕布傳動，幕布採用機械接頭，可拆卸。同時幕布作為採集稻飛蝨等昆 蟲的屏幕，分區採集圖像大小約為50mmX50mm，幕布大小250mmX500mm。拍攝系統基本硬體主要有環形冷光源31和攝像機32，安裝在光源工作檯102和攝 像機工作檯101上，構成拍攝系統，如圖2所示。圖5為拍攝系統組成示意圖，野外拍攝光 源採用0PT-DP1024-4HT環形冷光源。該冷光源具有細膩柔和、明晰、無陰影、無斑痕的照明 效果，藉助環形冷光源和攝像機可採集清晰高質量的稻飛蝨等昆蟲圖像。冷光源支架33由 兩銜鐵架組合而成，佔用空間小，通過螺栓連接，可上下調整光源高度，前後調整光源距離， 且可以360°旋轉光源，實現多距離多角度隨意調整，利於圖像採集和拍攝。攝像機為彩色數字攝像機，採用CCD攝像機有以下優點數位訊號是加工信號，加 工信號對於有雜波和易產生失真的外部環境和電路條件來說，具有較好的穩定性。攝像機 支架34由螺栓連接的三部分組成(圖5)，可上下調整攝像機高度，且可以180°旋轉攝像 機。攝像機用螺栓連接於支架上，整體支架簡潔易操作。環形冷光源及冷光源支架安裝在光源工作檯102上，通過兩邊導軌上方的螺栓調 節距離；攝像機及攝像機支架安裝在攝像機工作檯101上，通過絲槓螺母微調攝像機工作 臺前後距離，進而實現攝像機與光源和幕布之間距離的微調。光源工作檯102和攝像機工 作臺101安裝在底座100上(圖2)。採集圖像尺寸統一為標準的768*576像素，工作距離為190mm，放大倍率為0. 3X。 攝像機與採集工作檯幕布之間初定距離190mm，水平角度採集，拍攝系統可進行拍攝角度的調整和拍攝距離的微調。角度調整調節攝像機和光源支架，CXD攝像機可進行90°調整，環形光源可進行 360°調整，攝像機支架和光源支架通過螺栓位置調整可改變上下位置，實現拍攝角度的調
iF. ο距離調整攝像機與採集工作檯幕布之間的距離為190mm，可通過末端絲槓手動 微調攝像機與採集工作檯幕布的距離，同時可以通過螺栓調整光源工作檯，調整環形光源 與採集工作檯幕布的距離，實現昆蟲樣本圖像的清晰採集。圖10為自動拍攝系統控制框圖，控制系統由PC機、微控制器、彩色攝像機32(圖 2)、冷光源31、圖像採集卡、驅動器等組成，實現野外昆蟲圖像採集裝置自動運行，掃描拍攝 多幅圖像。微控制器控制採集工作檯X向、採集工作檯幕布Z向運動，彩色攝像機獲取數字 圖像。微控制器是將微型計算機的主要部分集成在一個晶片上的單片微型計算機。微控 制器選用AT89C52，其構成野外昆蟲圖像自動採集裝置驅動控制的最小應用系統，如圖7所
7J\ οAT89C52是一種低損耗、高性能CMOS八位微控制器，8K字節Flash，256位元組RAM， 32位I/O線，三個16位定時器/計數器，一個6向量2級中斷結構，全雙工串口，支持2種 可選擇節電模式的軟體。裝置控制的實現系統上電，利用鍵盤分別調整X、Z向電機，使其到達指定位置。AT89C52微控制器 的定時器/計數器O工作在方式1，16位計數器；定時器/計數器1工作在方式2，自動重裝 入初值的8位計數器；串行口工作在方式2，9位通用異步接收器/發送器，波特率為9600 ； 系統開中斷。裝置每隔30分鐘，採集一次圖像。採集工作檯幕布大小250mmX500mm，圖像採集 區大小約為50mmX50mm。採集工作檯幕布Z向位移50mm，向PC機發出信號，Z向電機停止 ls，拍攝圖像，連續工作10次。採集工作檯X向位移50mm停止，執行Z向工作，重複5次後 採集工作檯返回初始位置。每次圖像拍攝在採集工作檯停止後進行，避免出現圖像殘缺現 象。裝置驅動控制流程如圖10所示。自動拍攝系統由環形冷光源、彩色攝像機、顯微變焦距鏡頭、圖像採集卡、PC機等 組成。光源配置於採集工作檯幕布與攝像頭之間，CCD攝像頭安裝在採集工作檯幕布的光 源前方，上下、左右可調，圖像採集卡安裝在PC機的PCI插槽內，PC機上安裝稻飛蝨等昆蟲 圖像採集及其它軟體。天黑前，開啟160W自鎮流螢光高壓汞燈，誘集田間昆蟲包括稻飛蝨爬附在的確良 白布的採集工作檯幕布上。每隔一定時間，自動啟動拍攝系統，完成整個採集工作檯幕布的 數字圖像拍攝工作。CCD攝像機把圖像信息通過電纜輸入到圖像採集卡的圖像輸入端，PC 機上運行圖像捕捉程序，並按要求把圖片保存到指定位置。由於PC機採用的是RS-232C標準信號，而AT89C52單片機採用的是TTL電平信 號，所以在進行串行通信時，必須進行接口電平轉換。採用具有雙向轉換功能的MAX232芯 片(圖11)，9、10引腳是TTL電平端，連接單片機串行口。視頻圖像採集卡選自中國大恆(集團)有限公司，型號為DH-CG410。它具有使用靈活、集成度高、功耗低等特點，由於採用的是PCI總線，所採集的圖像數據傳輸基本不佔 用CPU時間，並可將圖像直接傳送到計算機內存或顯存。視頻圖像經多路切換器、解碼器、A/D變換器，將數位化的圖像數據送到數據緩衝 器。經剪裁、比例壓縮及數據格式轉換後，由內部控制圖像覆蓋與數據傳輸，數據傳輸目標 位置由軟體確定，可以是顯存，也可以是計算機內存。DH-CG410視頻圖像採集的工作原理框 圖如圖12所示。AT89C52串行口是一個全雙工的異步串行通信接口，可以同時發送和接收數據。串行口控制寄存器SCON 特殊功能寄存器SCON是存放串行口的控制和狀態信息， 具有位尋址功能，其格式如表1所示。表1串行口控制寄存器
權利要求
一種野外昆蟲圖像自動採集裝置，包括底座、採集工作檯、拍攝系統和控制系統，其特徵在於所述採集工作檯沿X向設置於底座上，拍攝系統沿Y向設置於底座上，所述拍攝系統包括攝像機、安裝於攝像機上的顯微變焦距鏡頭及冷光源，所述控制系統包括相互連接的微控制器和PC機，所述微控制器通過X向進給裝置控制採集工作檯沿X向運動，微控制器通過採集工作檯上的幕布驅動裝置控制採集工作檯幕布沿Z向滾動，所述攝像機與PC機相連。
2.根據權利要求1所述的野外昆蟲圖像自動採集裝置，其特徵在於所述幕布驅動裝 置包括設置在採集工作檯的主動輥，所述主動輥與幕布驅動裝置相連，從動輥與主動輥平 行設置，採集工作檯幕布作為傳送帶連接於主動輥與從動輥之間。
3.根據權利要求2所述的野外昆蟲圖像自動採集裝置，其特徵在於所述採集工作檯 幕布為白色的確良幕布，且豎直布置。
4.根據權利要求2所述的野外昆蟲圖像自動採集裝置，其特徵在於在所述主動輥與 從動輥的外圓周設有襯套。
5.根據權利要求1所述的野外昆蟲圖像自動採集裝置，其特徵在於所述X向進給裝 置包括與微控制器相連的採集工作檯驅動裝置，採集工作檯驅動裝置與絲杆直接相連，所 述採集工作檯兩側通過導軌副設置於底座上。
6.根據權利要求1所述的野外昆蟲圖像自動採集裝置，其特徵在於所述拍攝系統包 括拍攝光源和攝像機，所述拍攝光源為環形冷光源，設置於光源支架上，所述攝像機設置於 攝像機支架上，所述光源支架和攝像機支架分別設置於光源工作檯和攝像機工作檯上。
7.根據權利要求1所述的野外昆蟲圖像自動採集裝置，其特徵在於在所述控制系統 中，與攝像機相連的圖像採集卡安裝在PC機的PCI插槽內，PC機上安裝昆蟲圖像採集處理 模塊，所述PC機通過接口電平轉換晶片與微控制器相連。
8.根據權利要求1所述的野外昆蟲圖像自動採集裝置的圖像採集方法，其特徵在於 包括以下步驟1)系統上電，利用微控制器的鍵盤手動分別調整幕布驅動裝置和採集工作檯驅動裝 置，使採集工作檯到達指定位置；2)每隔30分鐘，掃描採集一次圖像；3)每次採集圖像，採集工作檯沿X向位移50mm，向PC機發出信號，X向電機停止ls，拍 攝圖像；4)採集工作檯幕布沿Z向位移50mm，向PC機發出信號，Z向電機停止ls，拍攝圖像，連 續工作10次；5)採集工作檯X向位移50mm停止，執行Z向工作，重複5次後採集工作檯返回初始位 置，每次圖像拍攝在採集工作檯停止後進行，避免出現圖像殘缺現象；6)攝像機把圖像信息通過電纜輸入到圖像採集卡的圖像輸入端，PC機上運行圖像捕 捉程序，並按要求把圖片保存到指定位置。
全文摘要
本發明公開了野外昆蟲圖像自動採集裝置及其圖像採集方法，包括底座、採集工作檯、拍攝系統和控制系統，其特徵在於所述採集工作檯沿X向設置於底座上，拍攝系統沿Y向設置於底座上，所述拍攝系統包括攝像機、安裝於攝像機上的顯微變焦距鏡頭及冷光源，所述控制系統包括相互連接的微控制器和PC機，所述微控制器通過X向進給裝置控制採集工作檯沿X向運動，微控制器通過採集工作檯上的幕布驅動裝置控制採集工作檯幕布沿Z向滾動，所述攝像機與PC機相連。本發明結構簡單，成本低，可實時採集獲取處於自然狀態下的昆蟲數字圖像，以便為科研、教學、生產實踐提供自然的昆蟲數字圖像。
文檔編號G03B15/05GK101977282SQ201010244789
公開日2011年2月16日 申請日期2010年8月4日 優先權日2010年8月4日
發明者丁為民, 劉德營, 康敏, 胡春林 申請人:南京農業大學