CN103487439A - 植物叶片表观纹理材质信息采集装置及其采集方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种植物叶片表观纹理材质信息采集装置及其采集方法，其特征在于，该装置包括：箱体，可闭合形成密闭空间，包括放置植物叶片的底板，以及与底板相接的侧板与端板；移动机构，安装在箱体上，包括位于底板上方的水平横梁；白光灯，安装在水平横梁下方，用于在底板上形成白光带；激光定位器，安装在水平横梁上，用于在白光带上形成激光定位点；照相设备，安装在端板上，镜头对着底板放置植物叶片的区域。本发明的装置能连续获得植物叶片表观纹理材质图像，提高了采集高质量的植物叶片表观纹理信息的自动化程度。

Description

植物叶片表观纹理材质信息采集装置及其采集方法

技术领域

本发明涉及图像采集技术，更具体涉及一种植物叶片表观纹理材质信息采集装置。

背景技术

植物三维虚拟仿真是当前植物学、农学、计算机图形学等领域的热点问题之一，影响仿真感效果的重要因素之一是植物叶片表观纹理材质的准确模拟。

传统的方法多采用直接拍摄的方式获得纹理和材质图像，依赖于手工操作，受拍摄者人为因素影响较大，图像质量受光照、环境、角度、技术等多种因素制约，通常难以获得高质量的纹理材质图像。

该领域面临的主要问题是缺乏自动、准确、快速、高效的植物叶片表观纹理材质信息获取技术手段。此外，占用大量人力资源，工作效率低下，难以形成规范化的制作流程，也成为限制植物虚拟仿真效果提升的限制因素。

发明内容

（一）要解决的技术问题

在本发明中，要解决的技术问题是如何提高植物叶片表观纹理材质信息采集的自动化程度。

（二）技术方案

为解决上述技术问题，提供了一种植物叶片表观纹理材质信息采集装置，该装置包括：

箱体，可闭合形成密闭空间，包括放置植物叶片的底板，以及与底板相接的侧板与端板；

移动机构，安装在箱体上，包括位于底板上方的水平横梁；

白光灯，安装在水平横梁下方，用于在底板上形成白光带；

激光定位器，安装在水平横梁上，用于在白光带上形成激光定位点；

照相设备，安装在端板上，镜头对着底板放置植物叶片的区域。

优选地，移动机构还包括：

两条滚珠丝杠导轨，平行于底板分别安装在两块侧板上，水平横梁垂直安装在两条导轨上，可沿着导轨移动。

优选地，移动机构还包括：

两条滚珠丝杠导轨的一端安装步进电机，步进电机由电机驱动器驱动，电机驱动器由运动控制器控制。

优选地，该装置还包括：

底板包括“一”形孔和相对的“T”形孔，底板上布置有压住植物叶片的压线网。

优选地，该装置还包括：

标准材质比对板，放置在底板上，位于植物叶片一侧。

优选地，该装置还包括：

处理设备，连接到照相设备，

处理设备控制照相设备的拍摄开始时间、拍摄频率和拍摄结束时间，

和/或，

处理设备存储拍摄的照片并对照片进行处理得到植物叶片的表观纹理材质数据。

优选地，白光灯被不透光外壳封闭，外壳在与底板相对的下方留有一条出射光线的狭缝。

优选地，箱体下方安装有可调节高度的升降支架。

根据本发明的另一方面，提供了一种植物叶片表观纹理材质信息采集的方法，其特征在于，采用上述装置，该方法包括：

将植物叶片放置底板上，照相设备的镜头对着植物叶片，闭合箱体形成封闭空间；

使用白光灯在底板上形成白光带；

使用激光定位器在白光带上形成激光定位点；

使用移动装置将水平横梁从箱体一端移动到另一端，照相设备以设定的频率连续拍照。

优选地，该方法还包括：

照相设备将连续拍得的照片传送到处理设备，处理设备根据叶片每个点在不同照片上的辐照度，计算该点的反射率，从而获得叶片表观纹理材质数据。

（三）有益效果

本发明采用移动支架、传送机构和白光灯和激光定位器，能连续获得高质量的植物叶片表观纹理材质图像，提高了采集植物叶片表观纹理材质信息的标准化、自动化水平。同时，本发明降低了植物叶片表观纹理材质信息采集的人工成本和操作复杂度，对于提升植物三维虚拟仿真效果有着巨大的现实意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明一个实施例的植物叶片表观纹理材质信息采集装置去掉上盖的立体视图。

图2是根据本发明一个实施例的植物叶片表观纹理材质信息采集装置去掉上盖的平面视图。

图3是根据本发明一个实施例的植物叶片表观纹理材质信息采集装置上盖闭合时的立体视图，其中升降支架被放大分离示出。

图4是根据本发明一个实施例的植物叶片表观纹理材质信息采集装置的压线网的平面视图。

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。以下实施例仅用于说明本发明，而不能用来限制本发明的范围。

本发明通过一种植物叶片表观纹理材质信息采集装置来提高植物叶片表观纹理材质信息采集的自动化程度。该装置主要包括：箱体、移动机构、白光灯、激光定位器和照相设备。其中：

箱体，可闭合形成密闭空间，包括放置植物叶片的底板，以及与底板相接的侧板与端板；

移动机构，安装在箱体上，包括位于底板上方的水平横梁；

白光灯，安装在水平横梁下方，用于在底板上形成白光带；

激光定位器，安装在水平横梁上，用于在白光带上形成激光定位点；

照相设备，安装在端板上，镜头对着底板放置植物叶片的区域。

通过箱体，防止拍照时环境光线干扰，箱体也可包括上盖，盖上上盖则形成密闭空间；采用移动机构，是为了连续采集一系列的图片来尽可能精确计算叶片上的每个点的表观纹理材质数据；移动机构的类型不限，只要能使水平横梁水平运动即可；使用白光灯是作为拍照时的光源；照相设备，用于拍照。在一些优选实施例中，该装置还可包括其他的一些结构，下面结合附图描述一种便携式植物叶片表观纹理材质信息采集装置的较佳实施例。

图1到图4示出了一种便携式植物叶片表观纹理材质信息采集装置及其部件，各附图标记代表的部件为：1.外壳；2.移动横梁；3.密闭遮光条；4.滚珠丝杠导轨；5.白光灯；6.定位激光器；7.压线网；8.底板；9.植物叶片样本；10.上盖；11.升降支架；12.照相设备；13.支架；14.步进电机；15.控制台；16.电源开关；17.直流电源；18.电机驱动器；19.运动控制器；20.标准材质比对板。

如图1-3所示，装置主体部分由一个箱体构成，其中箱体包括：外壳1和上盖10，合起来可组成一个封闭空间。其中外壳1的两个侧板为直角梯形，一个高端板为长方形，与直角梯形的长底边相接，并且包括底板8，为长方形；上盖10由两个板连接构成，一个低端板与直角梯形的短边配合，一个上板与直角梯形的斜边配合，上板一端铰接固定在外壳1的端板，可向上翻起，扣下时与箱体外壳密闭接触，接合处可安装密闭遮光条，例如使用黑色软橡胶条或海绵条。箱体的尺寸例如可为这样：长度可为700-800mm，宽度400-500mm，低端高200-300mm，高端高400-500mm。

外壳1的两个侧板的内面距底板8一定距离、例如150-200mm处各水平平行安装一条滚珠丝杠导轨4，滚珠丝杠导轨4的有效行程400-500mm，两导轨4之间安装一条可在导轨上移动的水平横梁2。虽然在该实施例中具体限定了移动机构，但是本领域技术人员可以理解，还可以设置其他类型的移动机构。

水平横梁2例如长380-480mm，宽40mm。水平横梁2下方水平安装白光灯5，用于在底板上形成白光带。白光灯5例如为白光灯管，还可用不透光外壳将白光灯5封闭，外壳在与底板相对的下方留有一条出射光线的狭缝。水平横梁2中部的侧方或下方安装定位激光器6，使其发射的激光线位于白光灯5在底板8上形成的白光带的大致中心位置，定位激光器6例如为一字线激光器。如图2所示，植物叶片9放置在底板8上，由压线网7压平。底板按照图中方式开设有“一”形孔和相对的“T”形孔，以适应长条形叶片（例如玉米）和掌状叶片（例如黄瓜）的夹装固定。长条形叶片夹装固定方式为：长条形叶片从“T”形孔的“T”字头穿入，从另一侧“一”形长孔穿出，如叶片长度不足以穿出，则无需穿出；掌状叶片将其叶柄从“T”形孔的竖孔移入，从而使整个叶片位于底板中部。放置好之后可将压线网7压在植物叶片9上，以保证植物叶片9呈较平展的状态便于数据采集。箱体下方安装升降支架11，采集信息时调整支架11的高度来适应植物叶片9的高度，然后将植物叶片9从“一”形孔或相对的“T”形孔穿入，因此采集时不需要从植物上采摘植物叶片9，可以直接测量，不会损伤作物，由于活体测量，采集的植物叶片9的表观纹理材质信息也更准确。

在底板8放置一个标准材质比对板20，位于植物叶片9的一侧，该比对板20表面具有均匀的、固定的、已知的漫反射率，例如可为标准的A4打印纸。

压线网7的结构如图4所示，使用例如为铝合金的轻质刚性材质制作边框，使用表面粗糙的细棉线编织网线，网线横纵垂直分布，网孔边长例如为50mm。

外壳1的高端板内面上部安装支架13，支架13上安装照相设备12，照相设备12例如为摄像头，也可为相机，照相设备12的镜头可上下调节，照片的画面覆盖植物叶片9和标准材质比对板。照相设备12与处理设备（图中没有示出）相连，通过处理设备控制图像采集，控制照相设备12的拍摄开始时间、拍摄频率和拍摄结束时间，并存储拍摄的照片，处理设备例如为计算机。

两条滚珠丝杠导轨4的一端分别安装同型号的步进电机14，步进电机14由电机驱动器18驱动而同步运动，电机驱动器18由运动控制器19控制，运动控制器19连接到处理设备，从而实现通过处理设备控制电机14运转，以达到控制水平横梁2在植物叶片9上方水平匀速运动的目的。直流电源17、电机驱动器18、运动控制器19以及电源开关16安装在控制台上。

使用该实施例的装置采集植物叶片表观纹理材质信息的方法为：

将植物叶片9放置在底板8上，夹装固定好植物叶片9，照相设备12的镜头对着植物叶片9，关闭上盖10，使箱体形成封闭空间；

使用安装在水平横梁2下的白光灯5在底板8上形成白光带；

使用安装在水平横梁2中部的激光定位器6在白光带上形成激光定位点；

使用移动装置将水平横梁2从箱体一端移动到另一端，照相设备12以一定频率连续拍照。具体可以为：首先控制水平横梁2移动到箱体低端板一侧，作为初始位置，然后控制水平横梁2水平慢速地向箱体高端板一侧移动,移动速率例如为0.1mm/s，同步控制照相设备采集图像，采集频率例如为1fps。

拍照完后使用处理设备对一次流程拍得的照片进行处理：照相设备12将连续拍得的照片传送到处理设备，处理设备根据叶片每个位置在不同照片上的辐照度，计算该位置的反射率，从而获得叶片表观纹理材质数据。

通过连续拍得的照片计算叶片表观纹理材质数据方法如下，以拍摄的照片数量为400张为例，利用获取的照片数据进行叶片材质参数的拟合，我们利用下面的公式作为叶片的材质模型：

$f_r({\mathrm{\θ}}_i,{\mathrm{\φ}}_i;{\mathrm{\θ}}_r,{\mathrm{\φ}}_r)=\frac{{\mathrm{\ρ}}_d}{\mathrm{\π}}+{\mathrm{\ρ}}_s\·\frac{1}{\sqrt{\cos {\mathrm{\θ}}_i\cos {\mathrm{\θ}}_r}}\·\frac{\exp [-{\tan }^2\mathrm{\δ}/{\mathrm{\α}}^2]}{4\mathrm{\π}{\mathrm{\α}}^2}$

其中(θi，φi)、(θr，φr)分别为入射光线方向和出射方向，δ为半角与法向量之间的夹角。ρd、ρs、α分别为漫反射系数（RGB三通道）、高光反射系数（RGB三通道）和粗糙度（单通道），也是我们需要拟合的参数（叶片上任意一点都需拟合出ρd、ρs、α）。

为了拟合参数，我们需要计算叶片表面的辐照度，该值可以根据标准漫反射体（白纸）在光源下的图像得到。图像数据中任意点的像素值为辐射度，该值为上面公式与辐照度的乘积在半球上的积分，积分可采用蒙特卡洛技术进行离散计算，整个计算中的未知数为(θi，φi)、(θr，φr)、δ、ρd、ρs、α。由于我们在获取图像数据时，照相设备位置、被拍摄的叶片位置均保持静止，只有光源进行移动，但是图像之间的拍摄间隔相同、光源移动速度以及光源高度恒定，所以我们可以容易地得到任一时刻下的(θi，φi)、(θr，φr)以及δ，这样式子（1）中的未知数减少为ρd、ρs、α。对于叶片上任意一点，我们可根据获取的400张图像得到400个不同(θi，φi)、(θr，φr)、δ下的辐射度值，这样我们实际上构建了400个具有ρd、ρs、α三个未知数的方程，通过解超定方程组，即可获得上述参数，即拟合出叶片的材质。

在本发明的实施例中，箱体及升降支架11的材质例如可为铝合金。箱体内侧面及滚珠丝杠导轨4等表面涂装黑色粗糙涂料，避免形成镜面反射较强的光斑。

本发明的装置具备便携式特点，可在田间或设施环境内使用，突破了以往的实验室环境。装置进行操作过程中，无需将植物叶片取下，直接在植物生长状态下实现信息采集，保证了数据的准确性和真实性。本发明可分别实现玉米、水稻、小麦、黄瓜、西瓜、甜瓜等主要农作物和植物的叶片表观纹理材质信息采集。

本发明的实施例采用移动机构，能连续获得植物叶片表观纹理材质信息，提高了植物叶片表观纹理材质信息采集的自动化程度；采用处理设备和运动控制器，使得能自动、稳定、准确地获得图像。本发明提高了植物叶片表观纹理和材质信息的采集的标准化、自动化水平，降低人工成本和操作复杂度，对于提升植物三维虚拟仿真效果有着巨大的现实意义。

以上具体实施方式仅用于说明本发明，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权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种植物叶片表观纹理材质信息采集装置，其特征在于，该装置包括：

箱体，可闭合形成密闭空间，包括放置植物叶片的底板，以及与底板相接的侧板与端板；

移动机构，安装在箱体上，包括位于底板上方的水平横梁；

白光灯，安装在水平横梁下方，用于在底板上形成白光带；

激光定位器，安装在水平横梁上，用于在白光带上形成激光定位点；

照相设备，安装在端板上，镜头对着底板放置植物叶片的区域。

2.权利要求1所述的植物叶片表观纹理材质信息采集装置，其特征在于，移动机构还包括：

两条滚珠丝杠导轨，平行于底板分别安装在两块侧板上，水平横梁垂直安装在两条导轨上，可沿着导轨移动。

3.权利要求2所述的植物叶片表观纹理材质信息采集装置，其特征在于，移动机构还包括：

两条滚珠丝杠导轨的一端安装步进电机，步进电机由电机驱动器驱动，电机驱动器由运动控制器控制。

4.权利要求1所述的植物叶片表观纹理材质信息采集装置，其特征在于，该装置还包括：

底板包括“一”形孔和相对的“T”形孔，底板上布置有压住植物叶片的压线网。

5.权利要求1-4其中任一项所述的植物叶片表观纹理材质信息采集装置，该装置还包括：

标准材质比对板，放置在底板上，位于植物叶片一侧。

6.权利要求1-4其中任一项所述的植物叶片表观纹理材质信息采集装置，其特征在于，该装置还包括：

处理设备，连接到照相设备，

处理设备控制照相设备的拍摄开始时间、拍摄频率和拍摄结束时间，

和/或，

处理设备存储拍摄的照片并对照片进行处理得到植物叶片的表观纹理材质数据。

7.权利要求1-4其中任一项所述的植物叶片表观纹理材质信息采集装置，其特征在于，

白光灯被不透光外壳封闭，外壳在与底板相对的下方留有一条出射光线的狭缝。

8.权利要求1-4其中任一项所述的植物叶片表观纹理材质信息采集装置，其特征在于，箱体下方安装有可调节高度的升降支架。

9.一种权利要求1-8任一项所述的植物叶片表观纹理材质信息采集装置的采集方法，其特征在于，采用其中任一项的装置，该方法包括：

将植物叶片放置底板上，照相设备的镜头对着植物叶片，闭合箱体形成封闭空间；

使用白光灯在底板上形成白光带；

使用激光定位器在白光带上形成激光定位点；

使用移动装置将水平横梁从箱体一端移动到另一端，照相设备以设定的频率连续拍照。

10.权利要求9所述的植物叶片表观纹理材质信息采集的方法，其特征在于，该方法还包括：

照相设备将连续拍得的照片传送到处理设备，处理设备根据叶片每个点在不同照片上的辐照度，计算该点的反射率，从而获得叶片表观纹理材质数据。

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