專利名稱：植物株高自動測量裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于數(shù)字圖像處理技術(shù)，具體涉及一種植物株高自動測量裝置 及方法，該裝置能夠自動計算植物的抹高，適用于數(shù)字化農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
數(shù)字圖像處理與模式識別技術(shù)在幾十年內(nèi)得到迅速發(fā)展并在工業(yè)自動 化、智能交通、衛(wèi)星遙感、軍事偵察、生物醫(yī)學等應(yīng)用領(lǐng)域中得到廣泛的 應(yīng)用。利用數(shù)字圖像處理技術(shù)進行植物參數(shù)的自動提取是一種非常有前途 的技術(shù)，尤其在數(shù)字化農(nóng)業(yè)日益推廣的今天。計算機;脫覺技術(shù)已經(jīng)開始得 到植物學等基礎(chǔ)學科研究人員的關(guān)注，國外出現(xiàn)了 一些成熟的產(chǎn)品，國內(nèi)基 本上還處在實驗室階段，而且從事的人員也很有限。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種植物抹高自動測量裝置及方法，該裝置能 夠自動計算植物的株高。本發(fā)明提供的植物林高自動測量裝置，包括皮帶l、調(diào)速電機2、氣泵 3、氣動裝置4、 CCD相機5、背景幕布6、電動旋轉(zhuǎn)臺7、圖像采集卡8、 旋轉(zhuǎn)臺控制器9、計算機IO,架設(shè)的皮帶1與調(diào)速電機2相連，氣泵3位 于皮帶外部并與皮帶內(nèi)側(cè)邊緣的氣動裝置4相連，在氣動裝置4旁的皮帶 中部裝配一個電動旋轉(zhuǎn)臺7，電動旋轉(zhuǎn)臺7與旋轉(zhuǎn)臺控制器9相連，旋轉(zhuǎn)臺 控制器9又通過串口與計算機10相連，CCD相機5利用三腳架支持并固定， 其鏡頭正對電動旋轉(zhuǎn)臺7和背景幕布6,CCD相機5、電動旋轉(zhuǎn)臺7及背景幕 布6的中心在同一條直線上，CCD相機5通過數(shù)據(jù)接口與圖像采集卡8相連， 圖像采集卡8則通過PCI插槽與計算機10連接。其中，包括皮帶1、調(diào)速 電機2、氣泵3、氣動裝置4構(gòu)成流水線系統(tǒng)，CCD相機5和背景幕布6構(gòu) 成可見光CCD成像系統(tǒng)。植物抹高自動測量方法，按以下步驟進行(l)將盆裝植物放入皮帶上 輸送至電動旋轉(zhuǎn)臺時，由氣泵帶動氣動裝置將水稻推上電動旋轉(zhuǎn)臺，計算 機控制旋轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)，由CCD相機拍攝每個角度下植株的RGB彩色圖片，再 由數(shù)字傳輸線通過圖像采集卡傳送入計算機；(2)計算機通過抹高提取算法 后得植抹高度。抹高為自土面至最長葉片頂點的長度，計算的基本步驟是遍歷全部 角度的葉片圖像，找出每個角度的最長葉片的投影長度記為每個角度的植 林投影抹高，這些投影林高的最大值就是這個植抹的林高。這樣做是因為 最長葉片只有在其所在平面與拍攝平面垂直時，投影抹高才為其真實抹高，其余角度下投影長度都要比真實長度小，所以需要掃描每個角度下所有的 投影林高。每個角度下的投影抹高可以通過圖像分割、骨架提取和葉片路 徑搜索來計算。最后求出所有角度下投影株高的最大值得到植林的林高。由于在整個計算機的處理過程中不會利用到顏色信息，并需要將綠色 和背景色(藍色)區(qū)分出來，以分割出圖像中植抹的綠葉部分。在拍攝時背景是和葉片綠色很容易區(qū)分的藍色，因此可以采用RGB彩色空間最為方 便和直接。本發(fā)明采用比較綠色(G)和藍色(B)光的強度作為是否為綠 葉的判據(jù)，以達到將圖像分割的目的。這樣可以大大減小圖片占有內(nèi)存的 空間，提高運算速度。骨架可以理解為圖像的中軸，是描述圖像幾何拓樸 性質(zhì)的重要特征之一。因此，可通過檢測圖像的骨架特征來實現(xiàn)對植林葉 片路徑的識別。由骨架提取后的數(shù)據(jù)實現(xiàn)對葉片路徑的搜索，搜索工作主 要分為兩步l)尋找葉片的起始端；2)由起始端開始進行遍歷。本發(fā)明由預設(shè)的電腦程序控制，采用流水線，將待提取參數(shù)的樣品送 上電動旋轉(zhuǎn)臺，由CCD成像系統(tǒng)拍攝單個角度下的植抹圖像，由計算機將 所得圖像進行圖像分割，從分割后二值圖像經(jīng)過骨架提取和葉片路徑搜索 計算得到該角度下投影抹高。最后求出所有角度下投影林高的最大值作為 植林的高度。本發(fā)明利用CCD成像的方法，從圖像中自動計算出株高，具有安全無 損、測量結(jié)果準確可靠等優(yōu)點。


圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明的株高提取程序流程框圖；圖3為本發(fā)明的骨架提取結(jié)果4為本發(fā)明的^各徑搜索結(jié)果圖；圖5為上三葉完整i 各徑結(jié)果示意圖；圖6a為遍歷最高葉片所得林高結(jié)果圖；圖6b為遍歷所有葉片所得林高結(jié)果圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖和實例對發(fā)明作進一步詳細的說明。如圖1所示，本發(fā)明的裝置包括皮帶l、調(diào)速電機2、氣泵3、氣動裝 置4、 CCD相機5、背景幕布6、電動旋轉(zhuǎn)臺7、圖像采集卡8、旋轉(zhuǎn)臺控制 器9、計算機IO,架設(shè)的皮帶1與調(diào)速電機2相連，氣泵3位于皮帶外部 并與皮帶內(nèi)側(cè)邊緣的氣動裝置4相連，在氣動裝置4旁的皮帶中部裝配一 個電動旋轉(zhuǎn)臺7，電動旋轉(zhuǎn)臺7與旋轉(zhuǎn)臺控制器9相連，旋轉(zhuǎn)臺控制器9又 通過串口與計算機10相連，CCD相機5利用三腳架支持并固定，其鏡頭正 對電動旋轉(zhuǎn)臺7和背景幕布6，CCD相機5、電動旋轉(zhuǎn)臺7及背景幕布6的中心在同一條直線上，CCD相機5通過數(shù)據(jù)接口與圖像采集卡8相連，圖像采 集卡8則通過PCI插槽與計算機10連接。其中，包括皮帶l、調(diào)速電機2、氣泵3、氣動裝置4構(gòu)成流水線系統(tǒng)， CCD相機5和背景幕布6構(gòu)成成像系統(tǒng)。盆裝水稻通過流水線系統(tǒng)運輸。當水稻被運輸?shù)竭_皮帶中部的電動旋 轉(zhuǎn)臺7時，由氣泵3帶動氣動裝置4將水稻推上電動旋轉(zhuǎn)臺7。隨后計算機 控制旋轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)，可見光CCD成像系統(tǒng)進行拍攝。拍攝完畢后，氣泵帶動 氣動裝置將水稻由旋轉(zhuǎn)臺重新放回皮帶運走。由CCD相機5拍攝到的圖片 由數(shù)字傳輸線通過圖像采集卡8傳送入計算機10,計算機林高提取算法得 到植林的抹高。如圖2所示，遍歷全部角度的葉片圖像，找出每個角度的最長葉片的 投影長度記為每個角度的植抹投影株高，這些投影抹高的最大值就是這個 植株的抹高。這樣做是因為最長葉片只有在其所在平面與拍攝平面垂直時， 投影抹高才為其真實抹高，其余角度下投影長度都要比真實長度小，所以 需要掃描每個角度下所有的投影株高，然后求出林高的最大值即為為植林的林高。單個角度下的RGB圖像，采用比較綠色(G)和藍色(B)光的強度作 為是否為綠葉的判據(jù)，將綠葉從圖像中分割出來，經(jīng)圖像分割后可得到只 含有綠葉部分的二值圖像，這樣可以大大減小圖片占有內(nèi)存的空間，提高 運算速度。然后對二值圖經(jīng)過骨架提取和路徑搜索算法，即得該角度下植 林投影株高，如圖3所示。骨架提取屬于基本的圖像處理內(nèi)容，在一般的 圖像處理的書籍上可以找到相關(guān)算法。因此在算法上，并不對其做詳細的 介紹，我們將重點介紹路徑搜索算法。由骨架提取后的數(shù)據(jù)開始實現(xiàn)對葉 片路徑的搜索，搜索工作主要分為兩步 1)尋找葉片的起始端；假定圖像的規(guī)模為HxW， i、 j分別代表圖像的行、列坐標，P(i,j)為圖 像中坐標為(i, j)像素點的值(O或l)。當開始搜索葉片起始端時，用3x3 模塊遍歷圖像中(H-2) x (w -2)的區(qū)域，即i從2至H-1 ， j從2至W-1開 始遍歷。在對(i，j)點判別時，計算點P(i, j)領(lǐng)域3x 3范圍內(nèi)二值圖像像 素總合，如公式1所示。如果Px(i， j)的值為2，則表明點(i, j)只與一個 方向相聯(lián)，并且該點不在葉片路徑的中部；如果Px(i， j)的值為1，則表明 點(i,j)為孤島，可以不予理會或者將其刪除；如果Px(i, j)的值大于2, 則表明點(i, j)為路徑中部或處于與其他葉片路徑的交匯處，不是葉片起始二山 彿。C絲， '+ ") 沖,-1]) (1)2)由起始端開始進行遍歷。將所有滿足Px(i，jH的點標記為PLs， Index (i, j)(起始點時 Index=l )， Ls為搜索到葉片起始端的序號，Index為序號為Ls葉片遍歷到 點的序號。然后從PLs,l(i, j)開始與3x3模塊作點乘運算，得到方向函數(shù) PD(如式2),并將原圖像中當前位置P(i, j)清零。從方向函數(shù)PD中可以 得到如下有用信息1 )如果ZPD的值等于1則表明應(yīng)該繼續(xù)往后遍歷， 假定此時在PD矩陣中(m, n)位置處為"1"，則這下一個路徑點應(yīng)為 P (i+m-2， j+n-2),標記為PLp, Index+1 (i+m-2， j+n-2); 2 )如果SPD的值大 于l，則到達了與其他葉片路徑的交匯處，便停止對此葉片的路徑搜索；3) 如果i:PD的值等于O,則表明此路徑是與植株分離的，不應(yīng)該算作葉片，應(yīng) 撤銷對此路徑的標記。其搜索結(jié)果如圖4所示。_1)尸('1,) + 1)11 1尸。=1) 10 1_1)11 1(2)上述標記的葉片路徑的點PLs, Index(i， j)是葉片的一部分，需要將葉片 路徑延伸到地面，所以在水稻植抹的底部坐標后追加到葉片路徑點數(shù)組的 最后。將得到的數(shù)組所有相鄰兩點間的長度累加起來便是序號為Ls的葉片 從葉尖開始沿著葉片的路徑到植林底部的長度。每個角度得到的最長的葉 長就是植抹投影抹高，各個角度下所有投影抹高中的最大值就是植抹的抹 高。如圖5所示，圖中給出了上三葉的遍歷路徑。拍攝到的葉片路徑為葉片 真實路徑在拍攝面的投影，當葉片隨植抹一起旋轉(zhuǎn)時，其投影路徑的長度 應(yīng)該類似于余弦曲線(如圖6a、圖6b所示)。當葉片所在平面與拍攝平面 垂直時，計算所得投影抹高應(yīng)為余弦曲線的波谷；當葉片所在平面與拍攝 平面平行或重合時，計算所得投影株高應(yīng)為余弦曲線的波峰，(如圖6a、圖 6b所示)。圖6a為只遍歷最高的葉片時在各個角度下所得的株高值。因為 水稻最高的葉片并不一定為最長的葉片，所以需要遍歷所有的葉片，對每 個葉片計算出到植抹底部的路徑長度，取其最大值作為在當前拍攝角度下 的株高，圖6b為遍歷所有葉片在各個角度下所得的抹高值，可以看出曲線 更為平滑。從圖6a、圖6b中可以看出隨著角度增加，抹高值呈余弦曲線變 化。實例實驗生物材料 試驗為處于拔節(jié)期的釉稻，將植抹收攏、拉直后用巻尺測量，測量值 為53. 9cm,試驗時將水稻從田中移栽至盆中。通過本發(fā)明的方法進行抹高 自動測量結(jié)果為54. 7cm。
權(quán)利要求
1、植物株高自動測量裝置，包括皮帶(1)、調(diào)速電機(2)、氣泵(3)、氣動裝置(4)、CCD相機(5)、背景幕布(6)、電動旋轉(zhuǎn)臺(7)、圖像采集卡(8)、旋轉(zhuǎn)臺控制器(9)、計算機(10)，其特征在于架設(shè)的皮帶(1)與調(diào)速電機(2)相連，氣泵(3)位于皮帶外部并與皮帶內(nèi)側(cè)邊緣的氣動裝置(4)相連，在氣動裝置(4)旁的皮帶中部裝配一個電動旋轉(zhuǎn)臺(7)，電動旋轉(zhuǎn)臺(7)與旋轉(zhuǎn)臺控制器(9)相連，旋轉(zhuǎn)臺控制器(9)又通過串口與計算機(10)相連，CCD相機(5)利用三腳架支持并固定，其鏡頭正對電動旋轉(zhuǎn)臺(7)和背景幕布(6)，CCD相機(5)、電動旋轉(zhuǎn)臺(7)及背景幕布(6)的中心在同一條直線上，CCD相機(5)通過數(shù)據(jù)接口與圖像采集卡(8)相連，圖像采集卡(8)則通過PCI插槽與計算機(10)連接。
2、 植物抹高自動測量方法，按以下步驟進行(l)將盆裝植物放入皮 帶上輸送至電動旋轉(zhuǎn)臺時，由氣泵帶動氣動裝置將水稻推上電動旋轉(zhuǎn)臺， 計算機控制旋轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)，由CCD相機拍攝每個角度下植抹的RGB彩色圖片， 再由數(shù)字傳輸線通過圖像采集卡傳送入計算機；(2)計算機通過抹高提取算 法后得植抹高度。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的植物抹高自動測量方法，其特征在于抹高 提取算法按以下步驟進行遍歷全部角度的葉片圖像，找出每個角度的最 長葉片的投影長度記為每個角度的植抹投影林高，這些投影株高的最大值 就是這個植林的抹高。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的植物抹高自動測量方法，其特征在于每個 角度的植抹投影抹高按以下步驟進行得到(1)將單個角度下的RGB圖像， 按綠色(G)和藍色(B)光的強度進行分量提取，對植林圖像的每個像素 進行判斷，如果該像素的綠色分量大于藍色分量，則將該像素判定為綠色， 反之如果藍色分量大于綠色分量，則將像素定為藍色，以此來對植抹的綠 葉部分進行提取，將綠葉從圖像中分割出來，經(jīng)圖像分割后可得到只含有 綠葉部分的二值圖像；(2)然后對二值圖經(jīng)過骨架提取和路徑搜索算法， 得該角度下植株投影株高。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的植物抹高自動測量方法，其特征在于所述 路徑搜索算法按以下兩步進行(1)、尋找葉片的起始端假定圖像的規(guī)模為HxW， i、 j分別代表圖 像的行、列坐標，P(i， j)為圖像中坐標為(i， j)像素點的值為0或1，當開 始搜索葉片起始端時，用3x3模塊遍歷圖像中(H-2) x (w -2)的區(qū)域，i 從2至H-l ， j從2至W-1開始遍歷，在對(i， j)點判別時，計算點P (i, j)領(lǐng)域3 x 3范圍內(nèi)二值圖像像素總合按公式(5 )，如果Px(i， j)的值為2， 則表明點(i, j)只與一個方向相聯(lián)，并且該點不在葉片路徑的中部；如果 Px(i,j)的值為l，則表明點(i， j)為孤島，可以不予理會或者將其刪除；如 果Px(i， j)的值大于2，則表明點(i， j)為路徑中部或處于與其他葉片路徑 的交匯處，不是葉片起始端；<formula>formula see original document page 3</formula> (5)(2)由起始端開始進行遍歷將所有滿足Px(i， j) :2的點標記為PLs，起 始點時Index-l， Index(i, j) 、 Ls為搜索到葉片起始端的序號，Index為序 號，Ls為葉片遍歷到點的序號，然后從PLs，l(i， j)開始與3x3模塊作點 乘運算，得到方向函數(shù)PD如式6，并將原圖像中當前位置P(i， j)清零，從 方向函數(shù)PD中可以得到如下有用信息1)如果EPD的值等于1則表明應(yīng) 該繼續(xù)往后遍歷，^假定此時在PD矩陣中(m, n)位置處為'T，，則這下一個 3各徑點應(yīng)為P(i+m-2, j+n-2)，標記為PLp, Index+1 (i+m—2， j+n-2); 2)如 果SPD的值大于1，則到達了與其他葉片路徑的交匯處，便停止對此葉片的 路徑搜索；3)如果i:PD的值等于0，則表明此路徑是與植株分離的，不應(yīng) 該算作葉片，應(yīng)撤銷對此^各徑的標記，(6)<formula>formula see original document page 3</formula>
全文摘要
本發(fā)明涉及植物株高自動測量裝置及測量方法，本裝置包括流水線系統(tǒng)、可見光CCD成像系統(tǒng)、電動旋轉(zhuǎn)臺、旋轉(zhuǎn)臺控制器、計算機、圖像采集卡，電動旋轉(zhuǎn)臺依次與旋轉(zhuǎn)臺控制器和計算機相連，可見光CCD成像系統(tǒng)依次與圖像采集卡和計算機相連，本發(fā)明由計算機控制，采用流水線系統(tǒng)，將待提取參數(shù)的樣品送上電動旋轉(zhuǎn)臺，由CCD成像系統(tǒng)拍攝單個角度下的植株圖像，由計算機將所得圖像進行圖像分割，從分割后二值圖像經(jīng)過骨架提取和葉片路徑搜索可得到該角度下投影株高，最后求出所有角度下投影株高的最大值作為植株的高度。本發(fā)明利用CCD成像的方法，從圖像中自動計算出株高，具有安全無損、測量結(jié)果準確可靠等優(yōu)點。
文檔編號G06K9/00GK101324423SQ200810048639
公開日2008年12月17日 申請日期2008年7月31日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月31日
發(fā)明者謙 劉, 徐小春, 昆 畢, 駱清銘 申請人:華中科技大學