CN103412141B - 一种基于机器视觉的葡萄新梢生长速率测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种基于机器视觉的葡萄新梢生长速率测量系统及方法。该系统包括：标杆，固定到葡萄新梢的旁边，其具有已知长度，作为图像处理的长度基准；照相单元，由支架单元固定，对准葡萄新梢和标杆，用于拍摄画面有葡萄新梢和完整标杆的照片；处理控制单元，用于控制照相单元定时照相，并对拍摄到的照片进行图像处理分析，计算两次拍摄之间葡萄新梢生长的长度，从而得到葡萄新梢生长速率。本发明的系统及方法可以对葡萄新梢生长情况进行自动定时无损测量，数据准确，而且能克服相机镜头移动对测量结果带来的不利影响。

Description

一种基于机器视觉的葡萄新梢生长速率测量系统及方法

技术领域

本发明涉及机器视觉领域，更具体涉及一种基于机器视觉的葡萄新梢生长速率测量系统及方法。

背景技术

葡萄的新梢长度及生长速率是农业科研人员研究葡萄生长的重要指标。目前在实际应用过程中，对葡萄新梢长度及生长速率的测量方法主要是人工测量，即每天每隔一段时间由操作人员利用刻度尺测量葡萄新梢的长度，利用测得的长度和时间计算新梢的生长速率。这种方式工作强度大而且由于测量人员的主观性原因难以保证整天尤其是夜晚测量数据的准确性和完整性。随着机器视觉技术的不断发展，作为一种无损测量的技术已经引起人们的重视，可实现对目标的无接触自动化测量且便于自动处理，非常适合用于葡萄新梢生长速率的自动测量。

华中科技大学提出了一种水稻穗长的自动测量方法（CN101929843B，2013.02.20），该方法首先采集水稻茎秆样品，放置于放置板上由全景相机拍摄后通过计算机进行图像处理后计算稻穗长度。但是此种方法需要预先采集样品，并将采集到的稻穗样本放置于放置板上。而葡萄新梢的测量一般是固定一个或者几个新梢，采用该法具有破坏性不利于连续研究，因此该法不适用于葡萄的新梢长度测量。

北京农业信息技术研究中心提出了一种玉米植株生长速率测量方法（CN102288776B，2013.04.24），该方法在待测玉米植株上画标记，使用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。但是此法需要在被测植株上做标记，而葡萄新梢测量需要测新梢顶端到末端的长度，因顶端一直在生长，标记难以放置于顶端，标记于中部则会导致测量误差较大。且上述所述系统使用计算机处理图像，不利于现场实时全天候测量。

综上所述，因葡萄新梢测量的特殊性，测量时难以标记，且不能影响新梢生长，测量频率要求较高并且对现场的便携性和专用性有一定要求。而目前的测量系统要么需要采集样品，影响新梢的正常生长，要么需要在被测目标上做标记，难以在葡萄新梢上实现或易造成误差。此外，目前所述系统大多利用计算机进行图像处理，因农业环境条件恶劣，计算机易受高温、高湿、雨水、低温等的影响，不利于现场的24小时不间断的测量，且一般计算机无专门针对图像处理的硬件结构，实时性不高且图像处理算法设计复杂，处理效率低。由于葡萄新梢夜晚生长速率较之白天快，还要实现对各个时段尤其是夜晚的生长速率的自动测量。因此，急需一种对葡萄新梢生长无影响、可现场实时测量的专用的系统或方法。

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：如何利用机器视觉的手段实现对葡萄新梢生长速率的自动定时的无损测量。

（二）技术方案

为解决上述技术问题，根据本发明的一方面，提供了一种基于机器视觉的葡萄新梢生长速率测量系统及方法，该系统包括：

标杆，固定到葡萄新梢的旁边，其具有已知长度，作为图像处理的长度基准；

照相单元，由支架单元固定，对准葡萄新梢和标杆，用于拍摄画面有葡萄新梢和完整标杆的照片；

处理控制单元，用于控制照相单元定时照相，并对拍摄到的照片进行图像处理分析，计算两次拍摄之间葡萄新梢生长的长度，从而得到葡萄新梢生长速率。

优选地，该系统还包括：

光照传感器，用于检测拍照时的环境光照强度；

补光灯，用于当光照传感器检测到的光照强度低于设定阈值时而在照相期间进行补光。

优选地，该系统还包括：

无线模块，连于所述处理控制单元，用于发送处理控制单元得到的葡萄新梢生长速率。

优选地，该系统还包括：

支架单元，照相单元固定其上，可以调整照相单元拍照的方位，以使标杆的上下端都在照片中。

优选地，该系统还包括：

人机交互界面，用于设置拍照参数和显示。

根据本发明的另一方面，提供了一种基于机器视觉的葡萄新梢生长速率测量方法，该方法包括：

将具有已知长度的标杆固定到葡萄新梢的旁边，作为图像处理的长度基准；

将照相单元固定到支架单元上，对准葡萄新梢和标杆；

使用照相单元定时拍摄画面有葡萄新梢和完整标杆的照片；

使用处理控制单元对拍摄到的照片进行图像处理分析，计算两次拍摄之间葡萄新梢生长的长度，从而得到葡萄新梢生长速率。

优选地，该方法还包括：

使用光照传感器检测拍照时的环境光照强度；

当光照传感器检测到的光照强度低于设定阈值时，在照相期间使用补光灯进行补光。

优选地，该方法还包括：

通过无线模块发送处理控制单元得到的葡萄新梢生长速率。

优选地，该方法还包括：

通过支架单元调整照相单元拍照的方位，以使标杆的上下端都在照片中。

优选地，该方法还包括：

使用人机交互界面设置拍照参数和显示。

（三）有益效果

本发明采用基于机器视觉的葡萄新梢生长速率测量系统与方法，对葡萄新梢生长无影响，设置好后可以自动定时无损测量，能取代以往的人工测量，从而避免了人工测量工作强度大，数据可信度和完整度不高缺点，在研究葡萄以及类似植物的生长发育方面具有广阔的应用前景；同时，采用已知长度的标杆作为图像处理的长度基准，使得数据结果准确，并且即使相机镜头移动也不影响测量的准确性。

附图说明

图1是根据本发明一个实施例的基于机器视觉的葡萄新梢生长速率测量系统的示意图；

图2是根据本发明一个实施例的基于机器视觉的葡萄新梢生长速率测量系统的处理控制单元的结构框图；

图3是根据本发明一个实施例的基于机器视觉的葡萄新梢生长速率自动测量方法的流程图。

具体实施方式

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

如图1所示，示出了根据本发明一个实施例的基于机器视觉的葡萄新梢生长速率测量系统，该系统包括：照相单元1、处理控制单元2、无线模块3、云台4、支架5、底座6、光照传感器7、补光灯8、标杆9。

标杆9，固定到葡萄新梢的旁边，具有已知长度，作为图像处理的长度基准。

照相单元1，包括镜头、图像传感器，用于获取葡萄新梢的图像。镜头采用大景深视频监控镜头，可清晰呈现视野中远近的景物；图像传感器采用CCD或CMOS图像传感器，有较高的成像质量。其中光线经镜头进入照相单元，并经过图像传感器后形成模拟图像信号。

处理控制单元2，结构框图如图2所示，包括微控制器21、图像输入AD转换模块22、存储模块23、人机交互界面24，作为控制和处理的核心，用于控制照相单元1进行定时或按需拍照，并接收照相单元1采集的图像数据进行处理，将处理后的结果暂存到存储模块23和/或发送到无线模块3。

其中，所述处理控制单元2的微控制器21可以为ARM+DSP内核，例如采用TI的ARM+DSP内核的TMS320DM365作为系统的控制器；该优选的实现方式如下：TMS320DM365的B7脚（ADC_CH1）接光照传感器7的4-20ma接口，E2脚（UART0_RXD）、E3脚(UART0_TXD)接云台4，E4脚（UART1_RXD）、T1脚（UART1_TXD）接无线模块3，J16脚（MMSSD0_CLK）、H15脚（MMCSD0_CMD）、H15脚（MMCSD0_CMD）、H16-H18脚（MMCSD0_DATA）接存储模块23，YIN0-YIN7脚、CIN0-CIN7脚接图像输入AD转换模块22，SPI1脚接人机交互界面24。

其中，处理控制单元2的图像输入AD转换模块22的AD转换芯片例如可选用TVP5146。

其中，处理控制单元2的存储模块23例如为SD卡。

其中，处理控制单元2的人机交互界面24例如为触摸屏。

在图1中，示出照相单元1和处理控制单元2结合在一起，在其他实施例中，照相单元1和处理控制单元2也可以分别设置。

无线模块3，例如采用3G模块，与处理控制单元2相连，将处理控制单元2处理后的结果发送出去。

补光灯8，例如为阵列式白光灯，连于所述处理控制单元2并接收其指令打开或者关闭。

光照传感器7，可以为电流型传感器，信号输出接口4-20ma，连于所述处理控制单元2，用于检测拍照时的环境光照强度，将结果发送给处理控制单元2。当环境光照强度小于设定阈值时，则处理控制单元2打开补光灯8。

支架单元由云台4、支架5和底座6组成。

云台4为RS485接口，连于所述处理控制单元2，可以调整照相单元1的照相方位。

支架5，用于固定上述照相单元1、处理控制单元2、无线模块3、云台4、光照传感器7和补光灯8，为不锈钢材质。

底座6，用于支撑支架5，为不锈钢材质。

照相单元1、处理控制单元2、无线模块3、云台4、支架5、底座6光照传感器7、补光灯8和标杆9，均做户外防水防潮及耐高温处理。

下面描述根据本发明的基于机器视觉的葡萄新梢生长速率自动测量方法的实施例，如图3所示，该方法主要包括如下步骤：

S1：将具有已知长度的标杆固定到葡萄新梢的旁边，作为图像处理的长度基准。

S2：将照相单元固定到支架单元上，对准葡萄新梢和标杆。在这一步还可以进行参数设定，即打开系统电源，根据葡萄生长阶段，通过处理控制单元的人机交互界面设定图像采集参数，包括：拍照的时间、次数、位置、光照阈值，设置完成后，处理控制单元控制切断云台、照相单元、光照传感器、补光灯的电源后，无线模块和处理控制单元进入休眠状态。

S3：使用照相单元定时拍摄画面有葡萄新梢和完整标杆的照片。具体可以为：设定的图像采集时刻到达时，唤醒处理控制单元，接通云台、照相单元、光照传感器、补光灯的电源，并控制照相单元按设定的参数拍照。当光照传感器检测到光照强度小于设定的阈值时，拍照前打开补光灯，拍照结束后关闭补光灯。拍照完成后关闭云台、照相单元、光照传感器、补光灯的电源。

S4：使用处理控制单元对拍摄到的照片进行图像处理分析，计算两次拍摄之间葡萄新梢生长的长度，从而得到葡萄新梢生长速率。具体可以为：处理控制单元将接收到的照相单元的照片进行图像处理，计算出此时的葡萄新梢长度并与上次处理结果比较，计算出葡萄新梢在两次拍摄之间生长的长度，将结果存储在本地的存储系统并可以在人机交互界面显示，还可以唤醒无线模块，将结果发送至远端服务器，发送完成后无线模块和处理控制单元进入休眠状态并等待下次拍照时间的到来。

步骤S4对图片进行处理和计算的方法可以为：

S4.1：图像预处理。处理控制与显示单元将获取的图像进行预处理，经微控制器的DSP内核进行图像灰度化处理、滤波、二值化、轮廓提取后，生成标尺和新梢的轮廓图像。

S4.2：新梢长度系数计算。识别出标尺轮廓上靠近新梢轮廓的侧边的上下两个端点的坐标，识别出新梢轮廓顶端的坐标，从新梢轮廓顶端向所述两个端点所连线段作垂线，求得相交点的坐标，从而得到相交点到所述下端点所连线段的长度占所述两个端点所连线段的长度的比值，记为此次测得的新梢长度系数。

S4.3：新梢生长长度计算。将这次测得的新梢长度系数减去上次测得的新梢长度系数，然后乘以标尺的长度，即得到新梢两次拍照之间所生长的长度。

考虑到葡萄新梢的生长速度很快，也可以在两次拍照之间将标杆向上移，记下向上移动的长度，录入人工交互界面，在下次计算新梢的生长长度时，加上标杆向上移动的长度。

通过本发明的系统及方法，可以获得葡萄新梢在各个时段的生长长度，从而获得葡萄新梢在各个时段的生长速率并能够绘制生长曲线。

由上述实施例可以看出，本发明采用基于机器视觉的葡萄新梢生长速率测量系统与方法，对葡萄新梢生长无影响，设置好后可以自动定时无损测量，能取代以往的人工测量，从而避免了人工测量工作强度大，数据可信度和完整度不高缺点，在研究葡萄以及类似植物的生长发育方面具有广阔的应用前景；同时，采用已知长度的标杆作为图像处理的长度基准，使得数据结果准确，并且即使相机镜头移动也不影响测量的准确性。

以上具体实施例仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，但是本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明的原理和精神，其均应涵盖在本发明的权利要求的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于机器视觉的葡萄新梢生长速率测量方法，其特征在于，该方法包括：

将具有已知长度的标杆固定到葡萄新梢的旁边，作为图像处理的长度基准；

将照相单元固定到支架单元上，对准葡萄新梢和标杆；

使用照相单元定时拍摄画面有葡萄新梢和完整标杆的照片；

使用处理控制单元对拍摄到的照片进行图像处理分析，计算两次拍摄之间葡萄新梢生长的长度，从而得到葡萄新梢生长速率，包括：处理控制与显示单元将获取的图像进行预处理，经微控制器的DSP内核进行图像灰度化处理、滤波、二值化、轮廓提取后，生成标尺和新梢的轮廓图像；识别出标尺轮廓上靠近新梢轮廓的侧边的上下两个端点的坐标，识别出新梢轮廓顶端的坐标，从新梢轮廓顶端向所述两个端点所连线段作垂线，求得相交点的坐标，从而得到相交点到所述下端点所连线段的长度占所述两个端点所连线段的长度的比值，记为此次测得的新梢长度系数；将这次测得的新梢长度系数减去上次测得的新梢长度系数，然后乘以标尺的长度，即得到新梢两次拍照之间所生长的长度。

2.根据权利要求1所述的基于机器视觉的葡萄新梢生长速率测量方法，该方法还包括：

使用光照传感器检测拍照时的环境光照强度；

当光照传感器检测到的光照强度低于设定阈值时，在照相期间使用补光灯进行补光。

3.根据权利要求1所述的基于机器视觉的葡萄新梢生长速率测量方法，该方法还包括：

通过无线模块发送处理控制单元得到的葡萄新梢生长速率。

4.根据权利要求1所述的基于机器视觉的葡萄新梢生长速率测量方法，该方法还包括：

通过支架单元调整照相单元拍照的方位，以使标杆的上下端都在照片中。

5.根据权利要求1所述的基于机器视觉的葡萄新梢生长速率测量方法，该方法还包括：

使用人机交互界面设置拍照参数和显示。