一種基于機(jī)器視覺的葡萄新梢生長速率測(cè)量系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型揭示了一種基于機(jī)器視覺的葡萄新梢生長速率測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括：標(biāo)桿，固定到葡萄新梢的旁邊，其具有已知長度，作為圖像處理的長度基準(zhǔn)；照相單元，由支架單元固定，對(duì)準(zhǔn)葡萄新梢和標(biāo)桿，用于拍攝畫面有葡萄新梢和完整標(biāo)桿的照片；處理控制單元，用于控制照相單元定時(shí)照相，并對(duì)拍攝到的照片進(jìn)行圖像處理分析，計(jì)算兩次拍攝之間葡萄新梢生長的長度，從而得到葡萄新梢生長速率。本實(shí)用新型的系統(tǒng)可以對(duì)葡萄新梢生長情況進(jìn)行自動(dòng)定時(shí)無損測(cè)量，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，而且能克服相機(jī)鏡頭移動(dòng)對(duì)測(cè)量結(jié)果帶來的不利影響。
【專利說明】一種基于機(jī)器視覺的葡萄新梢生長速率測(cè)量系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及機(jī)器視覺領(lǐng)域，更具體涉及一種基于機(jī)器視覺的葡萄新梢生長速率測(cè)量系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]葡萄的新梢長度及生長速率是農(nóng)業(yè)科研人員研究葡萄生長的重要指標(biāo)。目前在實(shí)際應(yīng)用過程中，對(duì)葡萄新梢長度及生長速率的測(cè)量方法主要是人工測(cè)量，即每天每隔一段時(shí)間由操作人員利用刻度尺測(cè)量葡萄新梢的長度，利用測(cè)得的長度和時(shí)間計(jì)算新梢的生長速率。這種方式工作強(qiáng)度大而且由于測(cè)量人員的主觀性原因難以保證整天尤其是夜晚測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性。隨著機(jī)器視覺技術(shù)的不斷發(fā)展，作為一種無損測(cè)量的技術(shù)已經(jīng)引起人們的重視，可實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的無接觸自動(dòng)化測(cè)量且便于自動(dòng)處理，非常適合用于葡萄新梢生長速率的自動(dòng)測(cè)量。
[0003]華中科技大學(xué)提出了一種水稻穗長的自動(dòng)測(cè)量方法(CN101929843B，2013.02.20)，該方法首先采集水稻莖桿樣品，放置于放置板上由全景相機(jī)拍攝后通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像處理后計(jì)算稻穗長度。但是此種方法需要預(yù)先采集樣品，并將采集到的稻穗樣本放置于放置板上。而葡萄新梢的測(cè)量一般是固定一個(gè)或者幾個(gè)新梢，采用該法具有破壞性不利于連續(xù)研究，因此該法不適用于葡萄的新梢長度測(cè)量。
[0004]北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心提出了一種玉米植株生長速率測(cè)量方法(CN102288776B, 2013.04.24)，該方法在待測(cè)玉米植株上畫標(biāo)記，使用雙目攝像機(jī)同時(shí)采集該待測(cè)玉米植株的兩幅圖像；分析和處理所述兩幅圖像，計(jì)算得到標(biāo)記的中心點(diǎn)的三維坐標(biāo)，進(jìn)而計(jì)算得到一段時(shí)間內(nèi)所述待測(cè)玉米植株的平均生長速率。但是此法需要在被測(cè)植株上做標(biāo)記，而葡萄新梢測(cè)量需要測(cè)新梢頂端到末端的長度，因頂端一直在生長，標(biāo)記難以放置于頂端，標(biāo)記于中部則會(huì)導(dǎo)致測(cè)量誤差較大。且上述所述系統(tǒng)使用計(jì)算機(jī)處理圖像，不利于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)全天候測(cè)量。
[0005]綜上所述，因葡萄新梢測(cè)量的特殊性，測(cè)量時(shí)難以標(biāo)記，且不能影響新梢生長，測(cè)量頻率要求較高并且對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的便攜性和專用性有一定要求。而目前的測(cè)量系統(tǒng)要么需要采集樣品，影響新梢的正常生長，要么需要在被測(cè)目標(biāo)上做標(biāo)記，難以在葡萄新梢上實(shí)現(xiàn)或易造成誤差。此外，目前所述系統(tǒng)大多利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像處理，因農(nóng)業(yè)環(huán)境條件惡劣，計(jì)算機(jī)易受高溫、高濕、雨水、低溫等的影響，不利于現(xiàn)場(chǎng)的24小時(shí)不間斷的測(cè)量，且一般計(jì)算機(jī)無專門針對(duì)圖像處理的硬件結(jié)構(gòu)，實(shí)時(shí)性不高且圖像處理算法設(shè)計(jì)復(fù)雜，處理效率低。由于葡萄新梢夜晚生長速率較之白天快，還要實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)時(shí)段尤其是夜晚的生長速率的自動(dòng)測(cè)量。因此，急需一種對(duì)葡萄新梢生長無影響、可現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)測(cè)量的專用的系統(tǒng)或方法。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0006](一)要解決的技術(shù)問題
[0007]本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問題是:如何利用機(jī)器視覺的手段實(shí)現(xiàn)對(duì)葡萄新梢生長速率的自動(dòng)定時(shí)的無損測(cè)量。
[0008](二)技術(shù)方案
[0009]為解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型提供了一種基于機(jī)器視覺的葡萄新梢生長速率測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括:
[0010]標(biāo)桿，固定到葡萄新梢的旁邊，其具有已知長度，作為圖像處理的長度基準(zhǔn)；
[0011]照相單元，由支架單元固定，對(duì)準(zhǔn)葡萄新梢和標(biāo)桿，用于拍攝畫面有葡萄新梢和完整標(biāo)桿的照片；
[0012]處理控制單元，用于控制照相單元定時(shí)照相，并對(duì)拍攝到的照片進(jìn)行圖像處理分析，計(jì)算兩次拍攝之間葡萄新梢生長的長度，從而得到葡萄新梢生長速率。
[0013]優(yōu)選地，該系統(tǒng)還包括:
[0014]光照傳感器，用于檢測(cè)拍照時(shí)的環(huán)境光照強(qiáng)度；
[0015]補(bǔ)光燈，用于當(dāng)光照傳感器檢測(cè)到的光照強(qiáng)度低于設(shè)定閾值時(shí)而在照相期間進(jìn)行補(bǔ)光。
[0016]優(yōu)選地，該系統(tǒng)還包括:
[0017]無線模塊，連于所述處理控制單元，用于發(fā)送處理控制單元得到的葡萄新梢生長速率。
[0018]優(yōu)選地，該系統(tǒng)還包括:
[0019]支架單元，照相單元固定其上，可以調(diào)整照相單元拍照的方位，以使標(biāo)桿的上下端都在照片中。
[0020]優(yōu)選地，該系統(tǒng)還包括:
[0021]人機(jī)交互界面，用于設(shè)置拍照參數(shù)和顯示。
[0022](三)有益效果
[0023]本實(shí)用新型采用基于機(jī)器視覺的葡萄新梢生長速率測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)葡萄新梢生長無影響，設(shè)置好后可以自動(dòng)定時(shí)無損測(cè)量，能取代以往的人工測(cè)量，從而避免了人工測(cè)量工作強(qiáng)度大，數(shù)據(jù)可信度和完整度不高缺點(diǎn)，在研究葡萄以及類似植物的生長發(fā)育方面具有廣闊的應(yīng)用前景；同時(shí)，采用已知長度的標(biāo)桿作為圖像處理的長度基準(zhǔn)，使得數(shù)據(jù)結(jié)果準(zhǔn)確，并且即使相機(jī)鏡頭移動(dòng)也不影響測(cè)量的準(zhǔn)確性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1是根據(jù)本實(shí)用新型一個(gè)實(shí)施例的基于機(jī)器視覺的葡萄新梢生長速率測(cè)量系統(tǒng)的不意圖；
[0025]圖2是根據(jù)本實(shí)用新型一個(gè)實(shí)施例的基于機(jī)器視覺的葡萄新梢生長速率測(cè)量系統(tǒng)的處理控制單元的結(jié)構(gòu)框圖；
[0026]圖3是根據(jù)本實(shí)用新型一個(gè)實(shí)施例的基于機(jī)器視覺的葡萄新梢生長速率測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量方法的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型的實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例僅用于說明本實(shí)用新型，但不能用來限制本實(shí)用新型的范圍。[0028]如圖1所示，示出了根據(jù)本實(shí)用新型一個(gè)實(shí)施例的基于機(jī)器視覺的葡萄新梢生長速率測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括:照相單元1、處理控制單元2、無線模塊3、云臺(tái)4、支架5、底座
6、光照傳感器7、補(bǔ)光燈8、標(biāo)桿9。
[0029]標(biāo)桿9，固定到葡萄新梢的旁邊，具有已知長度，作為圖像處理的長度基準(zhǔn)。
[0030]照相單元1，包括鏡頭、圖像傳感器，用于獲取葡萄新梢的圖像。鏡頭采用大景深視頻監(jiān)控鏡頭，可清晰呈現(xiàn)視野中遠(yuǎn)近的景物；圖像傳感器采用C⑶或CMOS圖像傳感器，有較高的成像質(zhì)量。其中光線經(jīng)鏡頭進(jìn)入照相單元，并經(jīng)過圖像傳感器后形成模擬圖像信號(hào)。
[0031]處理控制單元2，結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，包括微控制器21、圖像輸入AD轉(zhuǎn)換模塊22、存儲(chǔ)模塊23、人機(jī)交互界面24，作為控制和處理的核心，用于控制照相單元I進(jìn)行定時(shí)或按需拍照，并接收照相單元I采集的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將處理后的結(jié)果暫存到存儲(chǔ)模塊23和/或發(fā)送到無線模塊3。
[0032]其中，所述處理控制單元2的微控制器21可以為ARM+DSP內(nèi)核，例如采用TI的ARM+DSP內(nèi)核的TMS320DM365作為系統(tǒng)的控制器；該優(yōu)選的實(shí)現(xiàn)方式如下:TMS320DM365的B7 腳(ADC_CH1)接光照傳感器 7 的 4_20ma 接口，E2 腳(UART0_RXD)、E3 腳(UART0_TXD)接云臺(tái) 4，E4 腳(UART1_RXD)、Tl 腳(UART1_TXD)接無線模塊 3，J16 腳(MMSSD0_CLK)、H15 腳(MMCSD0_CMD)、H15 腳(MMCSD0_CMD)、H16_H18 腳(MMCSD0_DATA)接存儲(chǔ)模塊 23，YIN0_YIN7腳、CIN0-CIN7腳接圖像輸入AD轉(zhuǎn)換模塊22，SPIl腳接人機(jī)交互界面24。
[0033]其中，處理控制單元2的圖像輸入AD轉(zhuǎn)換模塊22的AD轉(zhuǎn)換芯片例如可選用TVP5146。
[0034]其中，處理控制單元2的存儲(chǔ)模塊23例如為SD卡。
[0035]其中，處理控制單元2的人機(jī)交互界面24例如為觸摸屏。
[0036]在圖1中，示出照相單元I和處理控制單元2結(jié)合在一起，在其他實(shí)施例中，照相單元I和處理控制單元2也可以分別設(shè)置。
[0037]無線模塊3，例如采用3G模塊，與處理控制單元2相連，將處理控制單元2處理后的結(jié)果發(fā)送出去。
[0038]補(bǔ)光燈8，例如為陣列式白光燈，連于處理控制單元2并接收其指令打開或者關(guān)閉。
[0039]光照傳感器7，可以為電流型傳感器，信號(hào)輸出接口 4_20ma，連于所述處理控制單元2，用于檢測(cè)拍照時(shí)的環(huán)境光照強(qiáng)度，將結(jié)果發(fā)送給處理控制單元2。當(dāng)環(huán)境光照強(qiáng)度小于設(shè)定閾值時(shí)，則處理控制單元2打開補(bǔ)光燈8。
[0040]支架單元由云臺(tái)4、支架5和底座6組成。
[0041]云臺(tái)4為RS485接口，連于所述處理控制單元2，可以調(diào)整照相單元I的照相方位。
[0042]支架5，用于固定上述照相單元1、處理控制單元2、無線模塊3、云臺(tái)4、光照傳感器7和補(bǔ)光燈8，為不銹鋼材質(zhì)。
[0043]底座6，用于支撐支架5，為不銹鋼材質(zhì)。
[0044]照相單元1、處理控制單元2、無線模塊3、云臺(tái)4、支架5、底座6光照傳感器7、補(bǔ)光燈8和標(biāo)桿9，均做戶外防水防潮及耐高溫處理。
[0045]下面描述根據(jù)本實(shí)用新型的基于機(jī)器視覺的葡萄新梢生長速率測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量方法，如圖3所示，使用該系統(tǒng)的方法主要包括如下步驟:[0046]S1:將具有已知長度的標(biāo)桿固定到葡萄新梢的旁邊，作為圖像處理的長度基準(zhǔn)。
[0047]S2:將照相單元固定到支架單元上，對(duì)準(zhǔn)葡萄新梢和標(biāo)桿。在這一步還可以進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，即打開系統(tǒng)電源，根據(jù)葡萄生長階段，通過處理控制單元的人機(jī)交互界面設(shè)定圖像采集參數(shù)，包括:拍照的時(shí)間、次數(shù)、位置、光照閾值，設(shè)置完成后，處理控制單元控制切斷云臺(tái)、照相單元、光照傳感器、補(bǔ)光燈的電源后，無線模塊和處理控制單元進(jìn)入休眠狀態(tài)。
[0048]S3:使用照相單元定時(shí)拍攝畫面有葡萄新梢和完整標(biāo)桿的照片。具體可以為:設(shè)定的圖像采集時(shí)刻到達(dá)時(shí)，喚醒處理控制單元，接通云臺(tái)、照相單元、光照傳感器、補(bǔ)光燈的電源，并控制照相單元按設(shè)定的參數(shù)拍照。當(dāng)光照傳感器檢測(cè)到光照強(qiáng)度小于設(shè)定的閾值時(shí)，拍照前打開補(bǔ)光燈，拍照結(jié)束后關(guān)閉補(bǔ)光燈。拍照完成后關(guān)閉云臺(tái)、照相單元、光照傳感器、補(bǔ)光燈的電源。
[0049]S4:使用處理控制單元對(duì)拍攝到的照片進(jìn)行圖像處理分析，計(jì)算兩次拍攝之間葡萄新梢生長的長度。具體可以為:處理控制單元將接收到的照相單元的照片進(jìn)行圖像處理，計(jì)算出此時(shí)的葡萄新梢長度并與上次處理結(jié)果比較，計(jì)算出葡萄新梢在兩次拍攝之間生長的長度，從而得到葡萄新梢生長速率，將結(jié)果存儲(chǔ)在本地的存儲(chǔ)系統(tǒng)并可以在人機(jī)交互界面顯示，還可以喚醒無線模塊，將結(jié)果發(fā)送至遠(yuǎn)端服務(wù)器，發(fā)送完成后無線模塊和處理控制單元進(jìn)入休眠狀態(tài)并等待下次拍照時(shí)間的到來。
[0050]步驟S4對(duì)圖片進(jìn)行處理和計(jì)算的方法可以為:
[0051]S4.1:圖像預(yù)處理。處理控制與顯示單元將獲取的圖像進(jìn)行預(yù)處理，經(jīng)微控制器的DSP內(nèi)核進(jìn)行圖像灰度化處理、濾波、二值化、輪廓提取后，生成標(biāo)尺和新梢的輪廓圖像。
[0052]S4.2:新梢長度系數(shù)計(jì)算。識(shí)別出標(biāo)尺輪廓上靠近新梢輪廓的側(cè)邊的上下兩個(gè)端點(diǎn)的坐標(biāo)，識(shí)別出新梢輪廓頂端的坐標(biāo)，從新梢輪廓頂端向所述兩個(gè)端點(diǎn)所連線段作垂線，求得相交點(diǎn)的坐標(biāo)，從而得到相交點(diǎn)到所述下端點(diǎn)所連線段的長度占所述兩個(gè)端點(diǎn)所連線段的長度的比值，記為此次測(cè)得的新梢長度系數(shù)。
[0053]S4.3:新梢生長長度計(jì)算。將這次測(cè)得的新梢長度系數(shù)減去上次測(cè)得的新梢長度系數(shù)，然后乘以標(biāo)尺的長度，即得到新梢兩次拍照之間所生長的長度。
[0054]考慮到葡萄新梢的生長速度很快，也可以在兩次拍照之間將標(biāo)桿向上移，記下向上移動(dòng)的長度，錄入人工交互界面，在下次計(jì)算新梢的生長長度時(shí)，加上標(biāo)桿向上移動(dòng)的長度。
[0055]通過本實(shí)用新型的系統(tǒng)，可以獲得葡萄新梢在各個(gè)時(shí)段的生長長度，從而獲得葡萄新梢在各個(gè)時(shí)段的生長速率并能夠繪制生長曲線。
[0056]由上述實(shí)施例可以看出，本實(shí)用新型采用基于機(jī)器視覺的葡萄新梢生長速率測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)葡萄新梢生長無影響，設(shè)置好后可以自動(dòng)定時(shí)無損測(cè)量，能取代以往的人工測(cè)量，從而避免了人工測(cè)量工作強(qiáng)度大，數(shù)據(jù)可信度和完整度不高缺點(diǎn)，在研究葡萄以及類似植物的生長發(fā)育方面具有廣闊的應(yīng)用前景；同時(shí)，采用已知長度的標(biāo)桿作為圖像處理的長度基準(zhǔn)，使得數(shù)據(jù)結(jié)果準(zhǔn)確，并且即使相機(jī)鏡頭移動(dòng)也不影響測(cè)量的準(zhǔn)確性。
[0057]以上實(shí)施例僅用于說明本實(shí)用新型，而非對(duì)本實(shí)用新型的限制。盡管參照實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行了詳細(xì)說明，但是本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)方案進(jìn)行各種組合、修改或者等同替換，都不脫離本實(shí)用新型的原理和精神，其均應(yīng)涵蓋在本實(shí)用新型的權(quán)利要求的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于機(jī)器視覺的葡萄新梢生長速率測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括: 標(biāo)桿，固定到葡萄新梢的旁邊，其具有已知長度，作為圖像處理的長度基準(zhǔn)； 照相單元，由支架單元固定，對(duì)準(zhǔn)葡萄新梢和標(biāo)桿，用于拍攝畫面有葡萄新梢和完整標(biāo)桿的照片； 處理控制單元，用于控制照相單元定時(shí)照相，并對(duì)拍攝到的照片進(jìn)行圖像處理分析，計(jì)算兩次拍攝之間葡萄新梢生長的長度，從而得到葡萄新梢生長速率。
2.權(quán)利要求1所述的基于機(jī)器視覺的葡萄新梢生長速率測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)還包括: 光照傳感器，用于檢測(cè)拍照時(shí)的環(huán)境光照強(qiáng)度；補(bǔ)光燈，用于當(dāng)光照傳感器檢測(cè)到的光照強(qiáng)度低于設(shè)定閾值時(shí)而在照相期間進(jìn)行補(bǔ)光。
3.權(quán)利要求1所述的基于機(jī)器視覺的葡萄新梢生長速率測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)還包括: 無線模塊，連于處理控制單元，用于發(fā)送處理控制單元得到的葡萄新梢生長速率。
4.權(quán)利要求1所述的基于機(jī)器視覺的葡萄新梢生長速率測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)還包括: 支架單元，照相單元固定其上，可以調(diào)整照相單元拍照的方位，以使標(biāo)桿的上下端都在照片中。
5.權(quán)利要求1所述的基于機(jī)器視覺的葡萄新梢生長速率測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)還包括: 人機(jī)交互界面，用于設(shè)置拍照參數(shù)和顯示。
【文檔編號(hào)】G01P3/68GK203414481SQ201320533907
【公開日】2014年1月29日 申請(qǐng)日期:2013年8月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月29日
【發(fā)明者】周超, 孫傳恒, 杜曉偉, 解菁, 李文勇, 趙麗 申請(qǐng)人:北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心