CN102095383B - 一种基于机器视觉的快速树径检测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于机器视觉的快速树径检测装置。激光发射器为红色半导体激光器，并与平行光管连接，平行光管将激光器发射的光束扩束准直以后发射到被测树干上。摄像机组由CCD摄像机和镜头组成，安装于立杆上，位于平行光管的下方，摄像机的轴线与水平面平行，激光光束照射的不同距离的树干都可以清晰地成像到CCD摄像机中。CCD摄像机将采集的图像传送给笔记本计算机，计算机中的图像处理程序对采集到的图像进行识别，计算出光斑所在位置树干的直径值，并将计算出的数据存储于数据库中。本发明装置能够快速检测出所需测量高度处树干的直径值。

Description

一种基于机器视觉的快速树径检测装置
技术领域
本发明属于机器视觉技术和树木检测技术领域，具体涉及一种利用机器视觉对树径进行快速检测的装置。
背景技术
机器视觉是一项集合了数字图像处理、机械、控制、光学、计算机等技术的综合技术。机器视觉系统可以实现对目标进行无接触检测，可以快速获取大量信息，而且易于自动处理，因此，机器视觉技术作为一种重要的检测技术已经引起人们的重视，并在检测领域得到了越来越广泛的应用。
在森林资源调查中，树径的测量是一项非常重要的内容。国际上通常认为树干4.5英尺(约1.37m)高处的直径最接近树木的真实直径值，国内在测量单株立木直径时，大多是靠操作人员的经验估计出1.3m的位置，用卷尺测量树木的周长，然后计算出树木的直径值，或采用按圆周长等于π倍直径关系和卷尺一样在尺上刻画刻度的测径围尺来直接读取树木的直径值，作业过程需要人工读取、记录测量数据以及对数据进行处理，测量速度慢，劳动强度大，而且不便于对数据的统计和管理。采用机器视觉的方法进行树径的非接触测量能够弥补传统测量方法的不足，目前已经越来越受到重视。
华中科技大学机械学院提出用测量标尺对相机进行标定，进行测量的方法(宋小春，康宜华等，基于数字图像处理的林木自动测量系统研究，计算机工程与设计，2005，26(5)：1187-1189.)，这种方法的不足之处是测量每棵树时均需要在被测量的树干处放置标尺，效率比较低，而且山区一些无法靠近的树木以及树木高处的侧干处无法放置标尺，无法测量。在照相时，被测树木和相机之间的距离不同时，放大倍率也不同。这种方法不能保证树干与标尺在同一个平面上，这样标尺和树干在相机成像时的放大倍数不同，容易产生测量误差。
北京林业大学资源与环境学院提出一种近景普通树码相机测树方法(冯仲科，姚山，近景普通数码相机测树方法，中国专利：200610145564.X，2007-8-22.)，这种方法在每次测量时需要选取照相机视场内至少5个明显标志，用额外的测量设备测量其中心三维坐标，然后通过插值建立起空间坐标和图像坐标之间的关系。这种方法的不足之处是需要借助其它测量工具测量空间点的三维坐标，数据处理量大，测量效率低。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种基于机器视觉的快速树径测量装置，该装置能够快速对树干图像进行采集、处理和传输，能够准确地检测出树木的真实直径值。
本发明提供的基于机器视觉的快速树径检测装置，其特征在于：激光发射器(2)为红色半导体激光器，并与平行光管(3)连接，平行光管安装于立杆(5)上，并且与水平面平行，平行光管将激光器发射的光束扩束准直以后发射到被测树干上，准直扩束以后激光光束的发散角几乎为零，照射在树干上的光斑直径与平行光管出口处的激光光束直径相同；
摄像机组由CCD摄像机(4)和镜头(8)组成，安装于立杆(5)上，位于平行光管的下方，摄像机的轴线与水平面平行，镜头(4)采用大景深视频监控镜头，不同距离的物体都能够清晰地呈现在画面中，这样激光光束照射的不同距离的树干都可以清晰地成像到CCD摄像机中；
CCD摄像机将采集的图像传送给笔记本计算机(1)，计算机中的图像处理程序对采集到的图像进行识别，并采用激光光束照射到树干上的光斑直径作为标尺，计算出光斑所在位置树干的直径值，并将计算出的数据存储于数据库中。
本发明装置能够迅速采集带有激光光斑的树干图像，并能快速测量出树干的直径，对检测结果进行存储。具体而言，本发明装置具有以下特点：
(1)本发明采用了激光光斑作为标尺，在检测时无需在被测树干处放置标尺，节省了测量时间，并且由于激光光斑与树干在同一平面上，减少了测量误差，提高了测量精度；
(2)本发明立杆采用可调式结构，可以使激光光斑准确地照射到树干1.37m左右的高度；
(3)本发明能够即时地将测量到的树干直径值存储到数据库中。
附图说明
图1为基于机器视觉的快速树径检测装置的结构框图；
图2为基于机器视觉的快速树径检测装置的整体布局图；
图3为立杆的放大结构示意图。
具体实施方式
本发明装置采用高性能的笔记本计算机和高速面阵CCD工业摄像机，摄像机和计算机之间的接口为IEEE1394a接口，每秒钟拍摄传输照片35帧，设计了专门的平行光管系统对激光光源进行放大准直，配合高速图像处理算法，设计实现了一种基于机器视觉的快速树径检测装置。下面结合附图对本发明作进一步的说明。
如图1、2、3所示，本发明装置的结构以及检测过程为：
笔记本计算机(1)通过usb接口为激光发射器(2)提供5V电源，激光发射器与平行光管(3)连接安装于立杆(5)上，并且与水平面平行，平行光管将激光器发射的光束扩束准直以后发射到被测树干上，树干上会产生红色光斑。根据水准器(7)的指示调整底座(6)，使其保持水平。调节立杆(5)的高度，使光斑在树干上的高度为1.37m左右，拧紧螺钉(10)，使外套筒(9)以及内杆(11)之间的相对位置固定。
摄像机组由CCD摄像机(4)和镜头(8)组成，安装于立杆(5)上，位于平行光管的下方，摄像机的轴线与水平面平行，镜头(4)采用大景深视频监控镜头，不同距离的物体都能够清晰地呈现在画面中，这样激光光束照射的不同距离的树干都可以清晰地成像到CCD摄像机中，CCD摄像机通过IEEE1394a数据接口以及数据线将拍摄到的照片传输到笔记本计算机中。
计算机中的图像处理程序对采集到的图像进行检测，并采用激光光束照射到树干上的光斑直径作为标尺，计算出光斑所在位置树干的直径值，并将计算出的数据存储于数据库中。
图像检测是指对采集到的图像进行边缘识别，识别出激光光斑的边缘以及树干的边缘。本发明装置中激光光束经过平行光管扩束以后直径为60mm，激光光斑直径在图像上所占的像素数为n1，树干在图像上沿直径方向上所占的像素数为n2，则光斑位置树干的直径d为：
d = n 2 n 1 * 60 mm

Claims (3)

1.一种基于机器视觉的快速树径检测装置，其特征在于：
激光发射器(2)为红色半导体激光器，并与平行光管(3)连接，平行光管安装于立杆(5)上，并且与水平面平行，平行光管将激光器发射的光束扩束准直以后发射到被测树干上，准直扩束以后激光光束的发散角几乎为零，照射在树干上的光斑直径与平行光管出口处的激光光束直径相同；
摄像机组由CCD摄像机(4)和镜头(8)组成，安装于立杆(5)上，位于平行光管的下方，摄像机的轴线与水平面平行，镜头(8)采用大景深视频监控镜头，不同距离的物体都能够清晰地呈现在画面中，这样激光光束照射的不同距离的树干都可以清晰地成像到CCD摄像机中；
CCD摄像机将采集的图像传送给笔记本计算机(1)，笔记本计算机(1)中的图像处理程序对采集到的图像进行识别，并采用激光光束照射到树干上的光斑直径作为标尺，计算出光斑所在位置树干的直径值，并将计算出的数据存储于数据库中。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：立杆(5)的高度通过外套筒(9)以及内杆(11)之间的相对位置调节，调节完成后通过螺钉(10)固定。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于：检测装置整体与水平面的平行度根据位于底座(6)上的水准器(7)的指示进行调整。
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