具有自动校准功能的植物形态参数视觉测量仪

摘要

一种具有自动校准功能的植物形态参数视觉测量仪，采用高分辨率摄像机和大视角广角镜头，非接触获取植物图像，并通过图像处理、模式识别和数值计算获得被测参数结果。采用激光测距仪探测摄像机与被测部位的距离，自动进行修正和补偿，彻底解决了传统测量方法对观测距离要求苛刻并需要手工进行修正的弊端。采用白色LED光源进行主动照明，消除环境光对颜色参数测量的影响，保障测量结果的一致性和环境适应性。采用高性能DSP芯片和可充电锂电池组成便携式测量仪器，测量结果保存在内部FLASH存储器中，可以满足绝大多数田间调查的使用要求，并能保证较高的测量精度。

说明书

技术领域

本发明涉及一种测量技术领域的仪器，具体是一种具有自动校准功能的植物形态参数视觉测量仪。

背景技术

精确自动地测量植物形态参数是实现植物生长情况自动控制的前提，也是农作物田间调查的主要内容之一，更是种质资源调查与鉴定、作物长势分析与预测的基础。在众多的植物形态参数中，尺寸类参数(例如株高、茎粗、叶片长宽与面积等)和颜色参数(例如花色、叶色、种粒色)的测量难度最大，精度难于保障。传统的形态参数测量方法是：对于尺寸参数采用人工用尺测量的方法，对于颜色参数采用标准色块比对的方法，费时费力，且结果不可靠，人为因素影响大。有人采用接触类传感器或者轻质夹具测定上述尺寸类参数，但对作物有损伤，且操作复杂。

目前，发达国家已开始应用机器视觉技术来获取作物的生长状态信息。这类方法具有非接触、自动化、高智能、多功能的一系列优点。国内也有一些研究单位开始研究，但是这类方法的弊端是：对于尺寸类参数，测量距离对结果影响很大。测量过程中必须确定该距离，并进行适当补偿与修正。对于颜色类参数，拍摄图像时环境光的影响很大，结果偏差大。

经对现有技术的检索发现，中国专利“远程无线作物信息反馈和可控环境农业智能化系统”(申请号200410004716.5，公开号CN1559175)，公开了一种远程无线作物信息反馈和可控环境农业智能化系统，其中的生理诊断监测系统由植物生长数据传感器和植物数据分析处理器组成，对执行器件进行智能化控制，它能监测记录植物生长数据如茎粗、果实大小等，但专利并未明确采用何种传感器和原理，如何检测上述参数。无颜色参数检测内容。

检索中还发现，中国专利“一种用于农作物生长状态监测及营养施肥处方生成装置和方法”(申请号200410014648.0，公开号CN1561669)，使用摄像机和营养成分检测仪对农作物进行实时监测，图像信号经过数字化仪后，进入计算机数据库，通过图形处理获得植物生长信息。但是并没有详细描述如何保障测量精度。无颜色参数检测内容。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种具有自动校准功能的植物形态参数视觉测量仪，不仅可以采用摄像机全自动获取被测目标图像，同时可以自动测量摄像机与被测植物的距离，从而实现自动校准图像测量结果，保证测量精度不变，可以满足不同形态参数的自动测量要求。与此同时，采用白色发光二极管进行主动照明，克服了环境光对颜色参数测量的影响。此外，测量系统采用基于DSP的一体化模块设计和可充电锂电池供电方案，从而构成便携式测量仪器，并采用防水设计方案，可以适应田间测量环境条件。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明所述测量仪由探头和测量箱两部分通过电缆连接组成，探头包含有摄像机、镜头、光源、测距仪、按键、外壳和电缆，镜头安装在摄像机前端；光源由多个发光二极管组成环形结构，围绕在镜头外侧，测距仪设置在在镜头外侧，并与上述多个发光二极管一起构成环形结构，按键设置在外壳的正上方，电缆与后面的测量箱连接，传递测量与控制信号。

测量箱内包含有微处理器、图像卡、测量卡、驱动卡、显示器、存储器，探头对准待测植株的需要测量的部位，通过外壳上方的按键控制探头工作与否，光源由微处理器通过驱动卡来控制点亮，照亮待测植物的测量部位，摄像机拍摄植物图像，并转化为数字图像，该图像信息通过电缆和图像卡送入微处理器进行处理。摄像机与被测部位的距离由激光测距仪进行测量，该距离信息通过测量卡送入微处理器中，微处理器对测量结果进行自动修正和补偿，经过修正的测量结果在显示器上显示，并自动保存在存储器之中。

测量结束后，测量箱通过USB电缆将测量箱与其他电脑相连，把测量结果上传到另外电脑之中，进行数据汇总，生成各种所需要的报表。与此同时，通过USB接口对测量箱内的锂电池充电。

所述微处理器为DSP微处理器.

所述摄像机为数字摄像机，以便于同微处理器连接和传递图像信号。像素在一百万像素以上。

所述镜头为广角镜头，其变形率＜2％，视角＞60°。

所述测距仪为激光测距仪，使用可见激光，直接测量摄像机到植物之间的实际距离，并送入微处理器，在数据处理过程中对图像测量结果自动进行修正和补偿。

所述光源采用具有较宽光谱范围的白色发光二极管(LED)光源，光谱范围包含整个可见光，照亮植物的待测部位，获取待测图像，并同测量仪内置的标准色块图像进行对比，从而得到所需的颜色参数。

所述LED光源可有多个LED发光二极管组成，可为环形结构，围绕在镜头外侧，以便提供均匀的照明。

所述存储器为大于1G的FLASH存储器，它可以将获取的图像和处理结果同时保存起来，即使断电也不会丢失。在田间调查结束后，还可以上传到其他电脑中，进一步进行分析和处理。

所述显示器为液晶显示器。

所述探头和测量箱全部采用防水、防尘、防振结构，实现防溅水、防灰尘、防震动。探头上所有外露器件均采用密封，实现防尘防水。

所述测量箱采用翻盖式结构。

本发明采用采用高分辨率摄像机和大视角广角镜头，非接触获取植物图像，并通过图像处理、模式识别和数值计算获得被测参数结果。采用激光测距仪探测摄像机与被测部位的距离，自动进行修正和补偿，彻底解决了传统测量方法对观测距离要求苛刻并需要手工进行修正的弊端。采用白色LED光源进行主动照明，消除环境光对颜色参数测量的影响，保障测量结果的一致性和环境适应性。采用高性能DSP芯片和可充电锂电池组成便携式测量仪器，测量结果保存在内部FLASH存储器中，可以满足绝大多数田间调查的使用要求，并能保证较高的测量精度。

本发明同样也可以用于实现其他场合和目标的长度、角度以及颜色测量器具，例如动物、食品、服装等场合。

附图说明

图1为本发明的结构组成示意图；

图2为本发明的测量仪探头示意图；

上述图中：1为摄像机，2为镜头，3为测距仪，4为光源，5为探头，6为测量箱，7为测量箱，8为外壳，9为按键。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1和图2所示，本实施例测量仪由探头5和测量箱7两部分组成，探头5包含有摄像机1、镜头2、光源4、测距仪3、按键9、外壳8和电缆6，测量箱7包含有DSP微处理器、图像卡、测量卡、驱动卡、显示器、存储器、键盘、USB接口、充电器和锂电池。镜头2安装在摄像机1前端；光源4由多个发光二极管组成，为环形结构，围绕在镜头2外侧；测距仪3占据其中一个发光二极管的位置，结构紧凑；按键9设置在外壳8的正上方，便于操作；电缆6与后面的测量箱连接，传递测量与控制信号；DSP微处理器、图像卡、测量卡、驱动卡、显示器、存储器、键盘、USB接口、充电器和锂电池等部件安置在测量箱内。

操作者手持探头5对准待测植株的相关部位(例如整个植株、茎杆、豆荚、叶片、种粒等部位)，然后按下探头上方的按键9。在微处理器的控制下，照明光源4被点亮并照亮待测植物的测量部位，植物在该部位的图像通过镜头成像到摄像机1的成像器件(例如CCD或者CMOS)上，并转化为数字图像。该图像信息通过电缆6和图像卡送入微处理器进行处理。摄像机与被测部位的距离由激光测距仪3进行测量，该距离信息通过电缆6和测量卡送入微处理器中，对测量结果进行自动修正和补偿。经过修正的测量结果在测量箱的液晶显示器上显示，并自动保存在测量箱内的存储器之中。

本实施例当全部测量工作结束之后，通过USB电缆将测量箱与其他电脑相连，可以把测量结果上传到另外电脑之中，进行数据汇总，生成各种所需要的报表。与此同时，通过USB接口，充电器对测量箱内的锂电池充电。

本实施例的测量仪的摄像机1采用高像素的数字摄像机，一般采用USB接口或者1394接口，以便于同测量箱6连接和传递图像信号。成像器件可采用CCD或者CMOS，其像素数一般高于一百万，较佳地采用200万像素，以便测量仪能够捕捉被测植物的细节信息(例如分蘖、绒毛、斑纹等)。

为了保证测量仪能够在较近距离测量较大尺寸的参数(例如株高)，本实施例的镜头2采用了低变形率(＜2％)、大视角(＞60°)的广角镜头甚至鱼眼镜头，并辅以镜头畸变校正算法，从而有效解决了田间采集时植株之间距离短、采集空间距离有限的难题。

为了消除采样时摄像机1与被测植株距离不同对测量结果产生的影响，本实施例采用了内置的激光测距仪3直接测量摄像机1到被测植物之间的实际距离，并送入微处理器，在数据处理过程中对图像测量结果自动进行修正和补偿，从而有效解决了观测距离对结果的影响，避免了传统的视觉测量过程对观测距离与位置的苛刻限制，也避免了观测结束后人工手动操作进行数据处理与距离修正的麻烦与不便。

与此同时，本实施例采用的激光测距仪3使用可见激光，操作者可以清楚看见测距仪3发出的激光在植物被测部位形成的光斑，因此操作者无需观察屏幕即可完成对被测部位的准确瞄准，其方法类似于使用激光指示器，非常方便、简单。

为了消除环境光变化对颜色参数(例如花色、叶色、绒毛色、病斑色等)的影响，本实施例的测量仪采用光源4进行主动照明，而不是借助于自然光。为了保证颜色测量的准确性，降低系统功耗，增强耐用性，本实施例采用具有较宽光谱范围的白色发光二极管(LED)作为发光光源，光谱范围包含整个可见光，照亮植物的待测部位，获取待测图像，并同测量仪内置的标准色块图像进行对比，从而得到所需的颜色参数。该标准色块图像是在光源4的照明下，对标准色块进行拍摄所得到的标准图像，并预先保存在测量仪的存储器内部，供颜色参数测量时比对之用。该LED光源可有多个LED发光二极管组成，可为环形结构，围绕在镜头外侧，以便提高均匀的照明。

本实施例采用高性能DSP数字信号处理芯片为核心，完成图像处理、数据运算、补偿与修正、结果显示与保存、对外通讯等所有工作，同时具有体积小、重量轻、价格低、稳定耐用的特点，由此形成便携式测量仪器，满足田间调查的要求。

本实施例采用LCD液晶显示器显示摄取的图像和处理结果，此外还可以显示各种有用的辅助信息。因此，同传统的只显示图像的其他仪器相比，本实施例的测量仪不仅功耗低，而且功能更多、性能更好、更实用。

采用大容量(不低于1G，较佳地采用4G容量)的FLASH存储器是本实施例的一大特色，它可以将获取的图像和处理结果同时保存起来，即使断电也不会丢失。在田间调查结束后，还可以上传到其他电脑中，进一步进行分析和处理。

本实施例的测量仪采用了USB通讯接口，因此可以方便地与PC机、打印机或其他设备连接，进行数据传输、统计分析、打印结果与报表等。

本实施例的供电系统采用大容量(1000mAh，较佳地采用4000mAh以上)的可充电式锂电池，可以满足测量仪长时间田间调查工作需要，同时又符合环保要求。对锂电池的充电直接利用USB接口，当测量仪与其他电脑通过USB接口连接时，自动对锂电池进行充电。当充电结束后，自动停止充电过程。

本实施例的探头5和测量箱7全部采用防水、防尘、防振结构，实现防溅水、防灰尘、防震动。探头上所有外露器件(包括按键9、激光测距仪3、光源4、外壳8、电缆6等)均采用密封，实现防尘防水。测量箱7采用翻盖式结构，液晶显示器安置在顶盖内侧，工作时翻开，类似于笔记本电脑。键盘具有防水功能，可以克服水溅和雨滴的洒落。当防水、防尘和防震等级要求降低时，可以采用防水型或者普通型笔记本电脑代替测量箱。