CN102288776B - 玉米植株生长速率测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种玉米植株生长速率测量装置及方法，涉及计算机视觉技术领域。该装置包括：支撑架、滑动导轨，以及依次连接的双目摄像机、图像采集卡和计算机；所述双目摄像机通过所述滑动导轨安装在所述支撑架上。该方法包括步骤：在待测玉米植株上画标记，使用所述双目摄像机同时采集该待测玉米植株的两幅图像；分析和处理所述两幅图像，计算得到所述标记的中心点的三维坐标，进而计算得到一段时间内所述待测玉米植株的平均生长速率。本发明所述的玉米植株生长速率测量装置及方法能够实现对玉米植株生长速率的无损、快速、准确测量，为制定玉米高产高效栽培措施提供参考指标。

Description

玉米植株生长速率测量方法

技术领域

本发明涉及计算机视觉技术领域，特别涉及一种玉米植株生长速率测量装置及方法。 

背景技术

玉米是世界范围内的主要栽培作物，作为饲料工业和化学工业的原材料每年都有大量消耗。制定高产高效的玉米栽培措施能够提高玉米的产量，玉米植株生长速率是制定高产高效栽培措施的重要依据，同时也是定量化研究玉米生长规律的关键技术之一。然而农业上应用的传统玉米植株生长速率测量方法非常简陋，只能通过直尺测量玉米植株高度的变化，精度不高且人为误差因素很难去除。 

计算机视觉测量技术具有无损、非接触、精确、自动化程度高等优点。该技术在植物生长速率测量方面已有应用，将一已知形状的标志物放在叶片或茎的顶端，通过数字成像设备间隔一定时间获取带有标志物的植物图像，然后分析数字图像中标志物的位移，进而获得植株的生长速率。植物特别是玉米植株在三维空间内伸展，摄像机平面不能保证永远与标志物平面平行，即标志物在摄像机上不永远都是正投影。因此，通过二维图像上标志物的位移计算三维世界中植株的生长速率存在一定的误差，这种误差是不可忽略的，为了避免此类误差的出现，需要在三维空间中计算植株上标志物的位移变化。到目前为止仍然没有一套适合的解决方案。 

发明内容

(一)要解决的技术问题 

本发明要解决的技术问题是：如何获得玉米植株及其上标志物的二维图像，并通过该二维图像准确计算玉米植株的生长速率。 

(二)技术方案 

为解决上述技术问题，本发明提供一种玉米植株生长速率测量装置，其包括：支撑架200、滑动导轨300，以及依次连接的双目摄像机100、图像采集卡400和计算机600；所述双目摄像机100通过所述滑动导轨300安装在所述支撑架200上。 

优选地，所述双目摄像机100由两个相对位置固定的数字摄像机组成。 

优选地，所述滑动导轨300为内含圆柱形槽的长方体金属铸件。 

优选地，所述滑动导轨300上设有用于安装所述双目摄像机100的安装孔。 

优选地，通过数据线500依次连接所述双目摄像机100、图像采集卡400和计算机600，且所述双目摄像机100和图像采集卡400之间数据线500的长度在3米之内。 

本发明还提供一种使用所述装置进行玉米植株生长速率测量的方法，其包括步骤：

S100：在待测玉米植株上画标记，使用所述双目摄像机100同时采集该待测玉米植株的两幅图像； 

S200：分析和处理所述两幅图像，计算得到所述标记的中心点的三维坐标，进而计算得到一段时间内所述待测玉米植株的平均生长速率。 

优选地，所述步骤S100具体包括步骤： 

S101：在所述待测玉米植株的顶部叶片上画十字形标记； 

S102：将所述支撑架200的竖杆置于所述待测植株的两侧，横杠置于所述待测植株的上面，并移动所述滑动导轨300，使所述双目摄像机100位于画有十字形标记的叶片的上方； 

S103：通过计算机600控制所述双目摄像机100，同时采集所述待测玉米植株的两幅图像。 

优选地，所述步骤S200具体包括步骤： 

S201：对所述两幅图像进行中值滤波； 

S202：从中值滤波后的两幅图像中分割出植株图像； 

S203：对所述植株图像进行二值化处理； 

S204：从所述二值化处理后的植株图像中提取标记，计算得到所述标记的中心点的二维坐标； 

S205：根据所述二维坐标计算得到所述标记的中心点的三维坐标； 

S206：根据不同时刻得到的所述标记的中心点的两个三维坐标，计算得到该段时间内所述待测玉米植株的平均生长速率。 

优选地，所述步骤S203中，二值化阈值为25。 

优选地，所述标记位于所述待测玉米植株的叶片内部。 

(三)有益效果 

本发明所述的玉米植株生长速率测量装置及方法利用计算机视觉技术实现了对玉米植株生长速率的无损、快速、准确测量。该装置操作简便，测量精度高，有效地解决了传统测量方法无法准确获得玉米植株生长速率指标，易产生人为误差等问题，解决了由二维图像上的标记位移计算玉米植株生长速率这一难题，能够高精度测量植株生长量的细微变化，为制定玉米高产高效栽培措施提供参考指标。 

附图说明

图1是本发明实施例所述玉米植株生长速率测量装置的结构图； 

图2是图1中A区域的俯视图； 

图3是本发明实施例所述二值化处理后的植株图像； 

图4是本发明实施例所述十字标记被搜索到后的图像。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。 

图1是本发明实施例所述玉米植株生长速率测量装置的结构图，图2是图1中A区域的俯视图。如图1、图2所示，该玉米植株生长速率测量装置包括：支撑架200、滑动导轨300，以及通过数据线500依次连接的双目摄像机100、图像采集卡400和计算机600；所述双目摄像机100通过所述滑动导轨300安装在所述支撑架200上。 

所述双目摄像机100由两个相同参数的相对位置固定的数字摄像机组成。 

所述支撑架200包括两个竖杆和一个横杠，所述竖杆高2.75米，横杠长2.5米直径3厘米。 

所述滑动导轨300为长20厘米，内含直径3厘米圆柱形槽的长方体金属铸件，其上设有用于安装所述双目摄像机100的安装孔。所述双目摄像机100和图像采集卡400之间数据线500的长度在3米之内。 

该发明实施例所述玉米植株生长速率测量方法包括以下步骤： 

S101：在待测玉米植株的顶部叶片上，画一个黑色的3厘米×3厘米的十字形标记。 

S102：将支撑架200的竖杆置于所述待测植株的两侧，其横杠置于所述待测植株的上面，移动滑动导轨300，使所述双目摄像机100位于画有十字形标记的叶片的上方。双目摄像机100位于画有十字形标记的叶片的正上方为最佳情况。 

S103：通过计算机600控制所述双目摄像机100的两个数字摄像机，同时采集所述待测玉米植株的两幅图像。该图像信息通过数据线500传输给图像采集卡400，图像采集卡400变换图像传输协议后将图像信息通过数据线500传输给计算机600。计算机600上配置有专门的图像分析处理软件。 

S201：对所述两幅图像进行中值滤波。数字图像受到外界环境、光学镜头、传感器、压缩算法的影响，图像中会出现噪声数据，表现为孤立的像素，即不连续的点，噪声数据会影响后续的图像处理。中 值滤波是一种非线性滤波方法，可以去除图像中的高频噪声，又可以避免滤波操作对图像细节的模糊，保持图像锐化程度。以欲处理的像素为中心，统计7×7窗口内像素值大小，按升序排列后取中位数作为欲处理像素的新值，在图像上依次移动该窗口，直到处理完图像中所有像素。 

S202：从中值滤波后的两幅图像中分割出植株图像。所述双目摄像机100拍摄的两幅带十字标记的图像中，包含土壤背景，需把植株图像从背景中分割出来。图像在农田环境下获取，自然光源的光照强度无法人为控制，一般的阈值分割算法无法胜任此类情况，本实施例采用决策曲面算法完成图像分割任务，决策曲面算法公式为： 

$C=\frac{R^2}{V^2}+\frac{{(1-G)}^2}{{(Y\×B+U)}^2}.$

其中，R、G、B是红绿蓝三种颜色归一化后的强度值，其取值范围为0到1，图像的原始颜色强度红色r、绿色g、蓝色b的取值范围是0到255，对应的归一化后的R＝r/255，G＝g/253，B＝b/255；V、Y、U是描述曲面形状的参数，V是还能够感知到绿色时红色所能取的最大强度值，即B＝0，G＝1时R的取值。Y是曲面边界在红绿平面的倾斜指数。U是当红蓝通道都为零时，能够感知到绿色时的最大绿色强度值与最小值之差。V、Y、U为常值，其取值分别为V＝0.85，Y＝-0.37，U＝0.74。将归一化的R、G、B值代入决策曲面算法公式计算得到C值，若C值大于等于1则此像素属于叶片区域，应该保留，若C值小于1则此像素属于土壤背景区域，应该舍弃。 

S203：对所述植株图像进行二值化处理。为了简化图像表示形式，方便后续标记提取等图像处理，需将彩色图像转换为灰度图像后进行二值化处理，二值化阈值为25，大于25的像素值设置为255，小于等于25的像素值设置为0。图3是本发明实施例所述二值化处理后的植株图像。如图3所示，二值化处理后的植株图像中存在不属于玉米植株的小块孤立像素，这些像素会影响标志物搜索过程，可使用面积阈值 去除这些小的像素块，大于面积阈值的部分视为玉米植株保留不变，小于面积阈值的部分视为背景去除，本实施例中面积阈值为16pixel(像素)。 

S204：从所述二值化处理后的植株图像中提取标记，计算得到所述标记的中心点的二维坐标。固定搜索窗口大小16pixel×16pixel，并在植株图像中按从上到下从左到右的顺序移动，窗口在图像中的位置状态大致分为三类：窗口位于背景图像中；窗口位于叶片图像中；窗口位于背景与叶片的临界处。如图3所示，十字标记包含在叶片图像内。只有搜索窗口位于叶片图像内时，窗口内才有可能包含标记。具体搜索算法为：移动搜索窗口，计算窗口边框像素值，若边框像素值都为0，说明窗口在背景中；若边框像素都为255，说明窗口位于叶片中；若边框像素包含255和0，说明窗口位于背景与叶片的临界处或者窗口边框刚好经过十字标记。当窗口位于叶片内，即边框像素都为255时，计算窗口内包含的像素值，若像素值都为255，则说明十字标记不在搜索窗口内；若像素值包含255和0，则说明搜索窗口内包含十字标记。 

当搜索窗口包含十字标记时，记录窗口位置，并将窗口边框向内部收缩，直到上下左右4条边框都与十字标记有交点。图4是本发明实施例所述十字标记被搜索到后的图像。如图4所示，上边框交点与下边框交点可以确定一条直线a，左边框交点与右边框交点可确定直线b，直线a、b组成的线性方程组的解就是十字标记的中心点的二维坐标，具有亚像素精度。分别在双目摄像机100的左右两个数码摄相机获得的图像中应用上述标记提取算法，分别确定标记的中心点的二维坐标。 

S205：根据所述标记的中心点的二维坐标计算得到所述标记的中心点的三维坐标。使用平面模板标定算法可获得双目摄像机100的投影矩阵，具体形式为： 

$P_i=\left[\begin{array}{cccc}{a}_{11}^i& a_{12}^i& a_{13}^i& a_{14}^i\\ a_{21}^i& a_{22}^i& a_{23}^i& a_{24}^i\\ a_{31}^i& a_{32}^i& a_{33}^i& a_{34}^i\end{array}\right],(i=\mathrm{1,2}),$

其中，i＝1时，P₁对应为双目摄像机100的左边一个数码摄像机的投影矩阵；i＝2时，P₂对应为双目摄像机100的右边一个数码摄像机的投影矩阵。 

设十字标记的中心点的三维坐标为M(X，Y，Z)，m1(x₁，y₁)m2(x₂，y₂)是M在图像上的投影点，即步骤S204中计算得到的该十字标记的中心点的二维坐标，则有下式成立： 

$\left[\begin{array}{ccc}(a_{11}^i-a_{31}^i{x}_i)& (a_{12}^i-a_{32}^i{x}_i)& (a_{13}^i-a_{33}^i{x}_i)\\ (a_{21}^i-a_{31}^i{y}_i)& (a_{22}^i-a_{32}^i{y}_i)& (a_{23}^i-a_{33}^i{y}_i)\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right]=\begin{array}{c}\left[\begin{array}{c}\left(x_i{a}_{14}^i\right)\\ \left(y_i{a}_{24}^i\right)\end{array}\right],(i=\mathrm{1,2})\end{array}$

解上述线性方程组，即可计算得到十字标记的中心点的三维坐标。 

S206：根据不同时刻得到的所述标记的两个中心点的三维坐标，计算得到该段时间内所述待测玉米植株的平均生长速率。对玉米植株使用上述方法连续观测，设某t1时刻，十字标记的中心点的三维坐标M1(X1，Y1，Z1)，t2时刻，十字标记的中心点的三维坐标M2(X2，Y2，Z2)，则该段时间内玉米植株生长速率S可由下式计算： 

S＝d(M1，M2)/(t2-t1)，其中d(M1，M2)表示点M1(X1，Y1，Z1)和点M2(X2，Y2，Z2)之间的距离。 

下表是采用本实施例所述玉米植株生长速率测量装置及方法，在不同时间段测量得到的同一玉米植株的生长速率结果表。 

表1玉米植株生长速率表 

编号	测量时间跨度	平均生长速率(厘米/小时)
			1	8:00-12:00	0.27
2	14:00-18:00	0.25
			3	20:00-24:00	0.32

由表1可以看出，通过采用本发明实施例所述的测量装置与测量 方法能够实现对玉米植株生长速率的无损、快速、准确测量，图像分辨率可达3504像素×2336像素，测量分辨率可达0.01厘米。本发明操作简便，测量精度高，有效地解决了传统测量方法无法准确获得玉米植株生长速率指标，易产生人为误差等问题，解决了由二维图像上的标记位移计算玉米植株生长速率这一难题，能够高精度测量植株生长量的细微变化，为制定玉米高产高效栽培措施提供参考指标。

本发明实施例所述玉米植株生长速率测量装置及方法同样适用于其他叶片较大的作物。 

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。 

Claims (4)

1.一种使用玉米植株生长速率测量装置进行玉米植株生长速率测量的方法，其特征在于，

所述装置包括：

支撑架（200）、滑动导轨（300），以及依次连接的双目摄像机（100）、图像采集卡（400）和计算机（600）；所述双目摄像机（100）通过所述滑动导轨（300）安装在所述支撑架（200）上；

所述双目摄像机（100）由两个相对位置固定的数字摄像机组成；

所述支撑架（200）包括两个竖杆和一个横杠，所述两个竖杆连接所述横杠，并且位于所述双目摄像机（100）的两侧；

所述方法包括步骤：

S100：在待测玉米植株上画标记，使用所述双目摄像机（100）同时采集该待测玉米植株的两幅图像；

S200：分析和处理所述两幅图像，计算得到所述标记的中心点的三维坐标，进而计算得到一段时间内所述待测玉米植株的平均生长速率；

所述步骤S200具体包括步骤：

S201：对所述两幅图像进行中值滤波；

S202：从中值滤波后的两幅图像中分割出植株图像；

S203：对所述植株图像进行二值化处理；

S204：从所述二值化处理后的植株图像中提取标记，计算得到所述标记的中心点的二维坐标；其中，所述标记为十字标记；

所述步骤S204具体包括：

在二值化处理后的植株图像上按从上到下从左到右的顺序移动大小为16pixel×16pixel的搜索窗口，计算搜索窗口边框像素值，若边框像素值都为0，说明搜索窗口在背景中；若边框像素值都为255，说明搜索窗口位于叶片中；若边框像素包含255和0，说明搜索窗口位于背景与叶片的临界处或者搜索窗口边框刚好经过十字标记；当搜索窗口位于叶片内时，计算搜索窗口内包含的像素值，若像素值都为255，则说明十字标记不在搜索窗口内；若像素值包含255和0，则说明搜索窗口内包含十字标记；当搜索窗口包含十字标记时，记录搜索窗口位置，并将搜索窗口边框向内部收缩，直到上下左右4条边框都与十字标记有交点，上边框交点与下边框交点可以确定一条直线a,左边框交点与右边框交点可确定直线b，计算直线a、b组成的线性方程组的解得到十字标记的中心点的二维坐标；

S205：根据所述二维坐标计算得到所述标记的中心点的三维坐标；

S206：根据不同时刻得到的所述标记的中心点的两个三维坐标，计算得到该段时间内所述待测玉米植株的平均生长速率。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S100具体包括步骤：

S101：在所述待测玉米植株的顶部叶片上画十字形标记；

S102：将所述支撑架（200）的竖杆置于所述待测植株的两侧，横杠置于所述待测植株的上面，并移动所述滑动导轨（300），使所述双目摄像机（100）位于画有十字形标记的叶片的上方；

S103：通过计算机（600）控制所述双目摄像机（100），同时采集所述待测玉米植株的两幅图像。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S203中，二值化阈值为25。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述标记位于所述待测玉米植株的叶片内部。

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