專利名稱：一種基于機(jī)器視覺的植物莖稈直徑測量裝置與測量方法
一種基于機(jī)器視覺的植物莖稈直徑測量裝置與測量方法
技術(shù)領(lǐng)城
本發(fā)明涉及一種植物莖稈直徑的測量裝置和測量方法，特別是涉及一種利用 機(jī)器視覺技術(shù)測量植物莖稈直徑的裝置和方法。
背景技術(shù)：
植物的水分狀況并不僅僅取決于土壤的水分狀況，它還與大氣蒸發(fā)量的變 化、植物根系分布狀況、植物生長及生理特性、水分輸導(dǎo)能力等方面的因素有 關(guān)。因此，利用植物本身的水分狀況作為灌溉的依據(jù)，比利用土壤水分狀況更 可靠。植物莖稈直徑及其微小變化被公認(rèn)為是表征植物水分狀況的重要生理指 標(biāo)，研究開發(fā)能夠精確、高效、快捷的測量植物莖稈直徑的裝置和方法，實(shí)時(shí) 在線監(jiān)測植物莖稈直徑及其微小變化，判斷植物水分脅迫狀況，對(duì)指導(dǎo)節(jié)水灌 溉，充分、高效利用稀缺水資源，達(dá)到用最小的成本和資源量獲取最大限度的 經(jīng)濟(jì)收益，具有重要意義。目前測量植物莖稈直徑的裝置和方法主要是采用線 性變化傳感器和傳感解調(diào)器，具有一定的局限性由于測量時(shí)需要與植物莖稈 接觸，使得測量范圍較窄，為保證測量精度，對(duì)不同種類的植物莖稈進(jìn)行直徑 測量時(shí)必須更換不同量程的傳感器，操作復(fù)雜，測量成本高；僅能夠測量植物 莖稈直徑的相對(duì)變化量，卻無法高精度得到植物莖稈直徑的絕對(duì)值；同時(shí)，由 于需要利用彈簧將測量裝置固定在植物莖稈上，會(huì)對(duì)植物的莖稈生長有一定的 約束，影響到莖稈直徑微小變化的測量準(zhǔn)確度。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題
本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有測量植物莖稈直徑的裝置和方法測量不同植物 莖稈直徑需要更換不同量程的傳感器、無法測量植物莖稈直徑的絕對(duì)值、約束植物莖稈自然生長的局限性，提供一種基于機(jī)器視覺的植物莖稈直徑測量裝置 和測量方法，通過在設(shè)定時(shí)間間隔內(nèi)對(duì)植物莖桿圖像進(jìn)行定時(shí)采集，利用圖像 處理算法分析并計(jì)算出植物莖桿直徑，從而計(jì)算某一時(shí)間段內(nèi)植物莖稈直徑的 微小變化量，實(shí)現(xiàn)對(duì)植物莖稈直徑的無損在線監(jiān)測，滿足農(nóng)業(yè)高效節(jié)水灌溉相關(guān) 研究對(duì)植物莖稈直徑微小變化測量的要求。 (二)技術(shù)方案
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的測量裝置包括攝像機(jī)、環(huán)形LED光源、支 撐架、圓柱形參照物、IEEE1394信號(hào)光纖傳輸器、數(shù)據(jù)傳輸電纜和計(jì)算機(jī)。其 特征在于圓柱形參照物直立在待測植物旁邊，攝像機(jī)選用具有1394標(biāo)準(zhǔn)接口的 工業(yè)數(shù)字?jǐn)z像機(jī)，將其架設(shè)在支撐架上，環(huán)形LED光源環(huán)繞均勻分布在;l聶像機(jī) 鏡頭的周邊，攝像機(jī)在時(shí)鐘觸發(fā)下對(duì)植物蓬稈和圓柱形參照物的圖像進(jìn)行采集， IEEE1394信號(hào)光纖傳輸器通過數(shù)據(jù)傳輸電纜與攝像機(jī)和計(jì)算機(jī)連接，將攝像機(jī) 采集到的圖像傳輸給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)內(nèi)安裝了圖像處理軟件，在計(jì)算機(jī)上完成 植物莖稈直徑的分析與計(jì)算，得到植物莖稈直徑及其微小變化量。
在上述裝置中，利用具有已知直徑的圓柱形參照物，確保在不同的光照條 件下能夠高精度測量植物莖稈直徑；選用具有IEEE1394標(biāo)準(zhǔn)接口的工業(yè)數(shù)字?jǐn)z 像機(jī)，在數(shù)據(jù)傳輸過程中占用資源較少，適合于一臺(tái)計(jì)算機(jī)與多臺(tái)數(shù)字?jǐn)z像機(jī) 同時(shí)使用，能夠?qū)χ参锶哼M(jìn)行在線監(jiān)測。
本發(fā)明的測量方法包括如下具體方案
1、圖像采集的方法攝像機(jī)架設(shè)在支撐架上，放置在距離待測植物莖稈 5-10cm的合適位置，圓柱形參照物直立在待測植物旁5-7mm處，調(diào)整圓柱形參 照物的位置，使圓柱形參照物與植物莖稈組成的平面與攝像機(jī)鏡頭的平面基本 平行，調(diào)整支撐架的高度和攝像機(jī)的焦距，使攝像機(jī)鏡頭的上邊緣與待測植物的被測莖稈部位上邊緣保持在一個(gè)水平面上，并使待測植物莖稈和圓柱形參照 物圖像充滿攝像機(jī)屏幕，通過設(shè)置時(shí)鐘觸發(fā)攝像機(jī)在一定的時(shí)間間隔內(nèi)進(jìn)行圖 像采集。
2、 圖像傳輸?shù)姆椒↖EEE1394信號(hào)光纖傳輸器通過數(shù)據(jù)傳輸電纜與攝像 機(jī)和計(jì)算機(jī)連接，將攝像機(jī)采集到的圖像傳輸給計(jì)算機(jī)，為保證數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量， 將數(shù)據(jù)傳輸電纜的總長度限制在72米以內(nèi)。
3、 圖像分析的方法計(jì)算機(jī)獲得傳輸過來的植物莖稈圖像，通過圖像處理 軟件利用圖像的格式轉(zhuǎn)換、中值濾波、自適應(yīng)背景分割、區(qū)域生長、形態(tài)學(xué)膨 脹、Canny邊緣檢測、形態(tài)學(xué)細(xì)化等算法對(duì)獲得的圖像進(jìn)行處理分析，利用處理 后圖像中圓柱形參照物的實(shí)際直徑和像素直徑及植物莖稈的像素直徑計(jì)算植物 莖稈直徑的實(shí)際值。
本發(fā)明的測量方法特征在于計(jì)算機(jī)內(nèi)安裝了圖像處理軟件，利用中值濾波 算法對(duì)圖像進(jìn)行去除噪音處理、利用自適應(yīng)閾值算法對(duì)圖像進(jìn)行背景分割、利 用區(qū)域生長和形態(tài)學(xué)膨脹算法對(duì)圖像進(jìn)行增強(qiáng)、利用Canny算子進(jìn)行圖像的邊 緣檢測、利用形態(tài)學(xué)算法對(duì)圖像進(jìn)行細(xì)化處理，并利用處理后圖像中圓柱形參 照物的實(shí)際直徑R、像素直徑r和植物莖稈的像素直徑a根據(jù)公式A=R*a/r計(jì)算 植物莖稈直徑的實(shí)際值A(chǔ)。 (三)有益效果
采用本發(fā)明的測量裝置和測量方法能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)植物莖稈直徑進(jìn)行無損在線 測量，采集到的圖像分辨率可高達(dá)2048x1536像素，對(duì)于直徑小于5mm的作物 莖稈，測量分辨率高達(dá)0. G04mm;對(duì)于直徑為5-10mm的作物莖稈，測量分辨率 為0. 004-0. 007咖。本發(fā)明方法的操作簡單、測量精度高，有效解決了現(xiàn)有測量 工具對(duì)植物莖稈直徑變化的約束影響，避免了測量不同植物莖稈更換不同量程傳感器的麻煩，可以高精度測量植物莖稈直徑絕對(duì)值和微小變化量，能夠滿足 農(nóng)業(yè)高效節(jié)水灌溉相關(guān)研究對(duì)植物莖稈直徑微小變化測量的要求。


圖l是本發(fā)明的測量裝置結(jié)構(gòu)圖。
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具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1:
測量裝置結(jié)構(gòu)如圖l所示。包括攝像機(jī)l、環(huán)形LED光源2、支撐架3、圓柱 形參照物4、 IEEE1394信號(hào)光纖傳輸器5、數(shù)據(jù)傳輸電纜6和計(jì)算機(jī)7。圓柱形 參照物4直立在待測小麥植株旁邊，攝像機(jī)1架設(shè)在支撐架3上，環(huán)形LED光 源2環(huán)繞均勻分布在攝像才幾1鏡頭的周邊，攝像機(jī)1在時(shí)鐘觸發(fā)下對(duì)小麥莖稈 和圓柱形參照物4的圖像進(jìn)行采集，IEEE1394信號(hào)光纖傳輸器5通過數(shù)據(jù)傳輸 電纜6與攝像機(jī)1和計(jì)算機(jī)7連接。
測量方法是:攝像機(jī)1架設(shè)在支撐架3上，放置在距離待測小麥植抹莖稈 5-1 Ocm的合適位置，圓柱形參照物4直立在待測小麥植4朱旁5-7mm處，調(diào)整圓 柱形參照物4的位置，使圓柱形參照物4與小麥植抹莖稈組成的平面與攝像機(jī)1 鏡頭的平面基本平行，調(diào)整支撐架3的高度和攝像機(jī)1的焦距，使攝像機(jī)1鏡 頭的上邊緣與待測小麥植抹的被測莖稈部位上邊緣保持在一個(gè)水平面上，并使 待測小麥植林莖稈和圓柱形參照物4圖像充滿攝像機(jī)1屏幕，通過設(shè)置時(shí)鐘觸 發(fā)攝像機(jī)1在一定的時(shí)間間隔內(nèi)進(jìn)行圖像采集，IEEE1394信號(hào)光纖傳輸器5通 過數(shù)據(jù)傳輸電纜6與攝像機(jī)1和計(jì)算機(jī)7連接，將攝像機(jī)1采集到的圖像傳輸 給計(jì)算機(jī)7，為保證數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量，將數(shù)據(jù)傳輸電纜6的總長度限制在72米以 內(nèi)，計(jì)算機(jī)l內(nèi)安裝了圖像處理軟件，在計(jì)算機(jī)l上完成小麥植抹莖稈直徑的分析與計(jì)算，得到小麥植抹莖稈直徑及其微小變化量。
圖像處理軟件的結(jié)構(gòu)如圖2所，包括圖像采集、格式轉(zhuǎn)換、圖像處理和莖 稈直徑數(shù)據(jù)顯示。具體圖像處理算法如下
1、 中值濾波
圖像信息在采集過程中會(huì)受到很多噪聲源的干擾，這些噪聲在圖像上通常表 現(xiàn)為一些孤立的像素點(diǎn)，若不經(jīng)過濾波處理，會(huì)對(duì)以后的背景分割帶來影響。 中值濾波器是排序?yàn)V波器的一種，即可做到噪聲抑制、濾除脈沖干擾及圖像掃 描噪聲，又可以克服線性濾波器帶來的圖像細(xì)節(jié)模糊，保持圖像邊緣信息，計(jì) 算思路是將一個(gè)包含有奇數(shù)個(gè)像素的窗口在圖像上依次移動(dòng)，在每一個(gè)位置上 對(duì)窗口內(nèi)像素的灰度值由小到大進(jìn)行排列，然后將位于中間的灰度值作為窗口 中心像素的輸出值。
2、 自適應(yīng)背景分割
當(dāng)照明不均勻、有突發(fā)噪聲，或者背景輝度變化比較大時(shí)，整幅圖像分割將 不可能具有合適的單一閾值，直方圖顯示并未出現(xiàn)兩個(gè)峰值，我們很難通過確 定單一的域值來分割背景和圖像。此時(shí)采用自適應(yīng)閾值方法進(jìn)行背景分割，計(jì) 算思路是對(duì)圖像中的每個(gè)像素，選取以它為中心的一個(gè)鄰域窗口，對(duì)這個(gè)窗口 的像素灰度按照一定的準(zhǔn)則選取域值，以此判斷該處理像素是屬于目標(biāo)物還是 背景物。
3、 區(qū)域生長
區(qū)域生長是根據(jù)預(yù)先定義的生長準(zhǔn)則把像素或子區(qū)域集合成大區(qū)域的處理 方法，計(jì)算思路是將具有相似性質(zhì)的像素集合起來構(gòu)成區(qū)域，對(duì)需要分割的區(qū) 域找一個(gè)種子像素作為生長的起點(diǎn)，然后將種子像素周圍鄰域中與種子像素有 相同或相似性質(zhì)的像素合并到種子像素所在的區(qū)域中，當(dāng)新的點(diǎn)被合并后，再根據(jù)新的區(qū)域重復(fù)這一過程，直到?jīng)]有可接受的鄰近點(diǎn)時(shí)生成過程終止。
4、 形態(tài)學(xué)膨脹
區(qū)域生長之后的二值圖像，很明顯的存在一些空洞，如果直接進(jìn)行邊續(xù)J險(xiǎn)測 的話，那么這些孔洞處會(huì)留下檢測到的錯(cuò)誤邊緣，直接影響到了后期莖稈直徑 的計(jì)算結(jié)果，因此，利用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的膨脹運(yùn)算進(jìn)行孔洞的填充。
5、 Canny邊緣檢測
邊緣檢測是為了得到植抹莖桿的清晰邊緣，利用Canny算子進(jìn)行邊緣檢測。
6、 形態(tài)學(xué)細(xì)化
利用形態(tài)學(xué)算法對(duì)圖像進(jìn)行細(xì)化處理，從原來的圖中去掉一些點(diǎn)，使得邊緣 部分只剩一個(gè)像素點(diǎn)，便于程序掃描特定縱坐標(biāo)下的兩個(gè)距離最大的橫坐標(biāo)， 最終得到圖像中植物莖稈的像素直徑。
7、 莖桿直徑實(shí)際值計(jì)算
由于很難保證在同樣的光照條件下獲得作物莖稈圖像，不同的光照條件對(duì)測 量的結(jié)果會(huì)有很大的影響，為了使計(jì)算獲得小麥植林莖桿直徑的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，采 用參照物分析方法。在同一個(gè)圖像中獲取直徑為R的圓柱形參照物和小麥植抹 莖桿的圖像，利用圖像中圓柱形參照物的實(shí)際直徑R、像素直徑r和小麥植林莖 稈的像素直徑a根據(jù)公式A=R*a/r計(jì)算小麥植抹莖稈直徑的實(shí)際值A(chǔ)。
實(shí)施例2和3所用測量裝置與測量方法同實(shí)施例1，所不同的是測量植物是 黃瓜和西紅柿。所有實(shí)施例的測量數(shù)據(jù)列入表l中。表1植物莖稈直徑測量結(jié)果
實(shí)施例植物測量時(shí)間利用本發(fā)明的裝置和方法測 量的莖稈直徑(mm)
1小麥2008-9-24 18: 093. 425
2008-9-24 18: 393. 422
2黃瓜2008-9-24 20:094. 172
2008-9-24 20: 394. 172
3西紅柿2008-9-25 8: 395. 714
2008+25 9: 095. 71權(quán)利要求
1. 一種基于機(jī)器視覺的植物莖稈直徑測量裝置，包括攝像機(jī)(1)、環(huán)形LED光源(2)、支撐架(3)、圓柱形參照物(4)、IEEE1394信號(hào)光纖傳輸器(5)、數(shù)據(jù)傳輸電纜(6)和計(jì)算機(jī)(7)，其特征是圓柱形參照物(4)直立在待測植物旁邊，攝像機(jī)(1)選用具有1394標(biāo)準(zhǔn)接口的工業(yè)數(shù)字?jǐn)z像機(jī)，將其架設(shè)在支撐架(3)上，環(huán)形LED光源(2)環(huán)繞均勻分布在攝像機(jī)(1)鏡頭的周邊，攝像機(jī)(1)在時(shí)鐘觸發(fā)下對(duì)植物莖稈和圓柱形參照物(4)的圖像進(jìn)行采集，IEEE1394信號(hào)光纖傳輸器(5)通過數(shù)據(jù)傳輸電纜(6)與攝像機(jī)(1)和計(jì)算機(jī)(7)連接。
2. 如權(quán)利要求1所述的測量裝置，其特征在于，利用具有已知直徑的圓柱 形參照物(4)，確保在不同的光照條件下能夠高精度測量植物莖稈直徑。
3. —種基于機(jī)器視覺的植物莖稈直徑測量方法，其特征是攝像機(jī)(l)架設(shè)在 支撐架(3)上，放置在距離待測植物莖稈5-10cm的合適位置，圓柱形參照物(4) 直立在待測植物旁5-7mm處，調(diào)整圓柱形參照物(4)的位置，使圓柱形參照物(4) 與植物莖稈組成的平面與攝像機(jī)(1)鏡頭的平面基本平行，調(diào)整支撐架(3)的高 度和攝像機(jī)(l)的焦距，使攝像機(jī)(l)鏡頭的上邊緣與待測植物的被測莖稈部位 上邊緣保持在一個(gè)水平面上，并使待測植物莖稈和圓柱形參照物(4)圖像充滿攝 像機(jī)(1)屏幕，通過設(shè)置時(shí)鐘觸發(fā)攝像機(jī)(1)在一定的時(shí)間間隔內(nèi)進(jìn)行圖像釆 集，IEEE1394信號(hào)光纖傳輸器(5)通過數(shù)據(jù)傳輸電纜(6)與攝像機(jī)(1)和計(jì)算機(jī)(7) 連接，將攝像機(jī)(1)采集到的圖像傳輸給計(jì)算機(jī)(7),為保證數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量，將 數(shù)據(jù)傳輸電纜(6)的總長度限制在72米以內(nèi)，計(jì)算機(jī)(l)內(nèi)安裝了圖像處理軟件， 在計(jì)算機(jī)(l)上完成植物莖稈直徑的分析與計(jì)算，得到植物莖稈直徑及其微小變 化量。
4. 如權(quán)利要求3所述的測量方法，其特征在于，計(jì)算機(jī)(7)內(nèi)安裝了圖像處 理軟件，利用中值濾波算法對(duì)圖像進(jìn)行去除噪音處理、利用自適應(yīng)閾值算法對(duì)圖像進(jìn)行背景分割、利用區(qū)域生長和形態(tài)學(xué)膨脹算法對(duì)圖像進(jìn)行增強(qiáng)、利用Canny算子進(jìn)行圖像的邊緣檢測、利用形態(tài)學(xué)算法對(duì)圖像進(jìn)行細(xì)化處理，并利用 處理后圖像中圓柱形參照物(4)的實(shí)際直徑R、像素直徑r和植物莖稈的像素直 徑a根據(jù)公式A=R*a/r計(jì)算植物莖稈直徑的實(shí)際值A(chǔ)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種基于機(jī)器視覺的植物莖稈直徑測量裝置和測量方法，測量裝置包括攝像機(jī)(1)、環(huán)形LED光源(2)、支撐架(3)、圓柱形參照物(4)、IEEE1394信號(hào)光纖傳輸器(5)、數(shù)據(jù)傳輸電纜(6)和計(jì)算機(jī)(7)。測量方法是利用攝像機(jī)(1)在一定的時(shí)間間隔內(nèi)獲取待測植物莖稈和圓柱形參照物(4)的圖像，通過IEEE1394信號(hào)光纖傳輸器(5)和數(shù)據(jù)傳輸電纜(6)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)(7)，利用計(jì)算機(jī)內(nèi)安裝的圖像處理軟件計(jì)算植物莖稈直徑。本發(fā)明有效解決了現(xiàn)有測量工具對(duì)植物莖稈直徑變化的約束影響，避免了測量不同植物莖稈更換不同量程傳感器的麻煩，可用于無損在線監(jiān)測植物莖稈直徑及某一時(shí)間段內(nèi)直徑的微小變化量。
文檔編號(hào)G01B11/08GK101419058SQ20081018318
公開日2009年4月29日 申請日期2008年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月15日
發(fā)明者喬曉軍, 侯瑞鋒, 姚遠(yuǎn)方, 馨 張, 張?jiān)弃Q, 杜小鴻, 楊月英, 成 王, 田宏武, 趙春江, 紅 陳 申請人:北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心