CN103685845B - 根系图像扫描装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种根系图像扫描装置，包括图像采集机构和行走机构；所述图像采集机构的外壳表面设置有线性图像传感器，其内部设置有驱动电机；所述行走机构控制所述图像采集机构沿其轴线方向运动，所述驱动电机驱动所述图像采集机构外壳绕其轴线旋转，所述线性图像传感器随着所述图像采集机构外壳的旋转而旋转并同时采集图像信息。本发明提出的根系图像扫描装置，能够较大范围的获取玻璃管壁根系、土壤、生物的状况，得到高分辨率的图像。

Description

根系图像扫描装置

技术领域

本发明涉及图像采集技术领域，特别是指一种根系图像扫描装置。

背景技术

鉴于观测技术和方法的局限，一直以来在不破坏的前提下原位动态的观测/监测地下情况如植物根系生长、土壤特征、地下生物等都是一大难题。同时要科学地理解植物生长、土壤供养、地下生物活动就必须要全面地认识作地下这种特殊的环境。以往对地下的研究方法多是简单的挖剖面，对土壤有一定的破坏性，且不能连续观测。

目前进行图像扫描的技术主要有基于线性扫描原理的CIS技术和基于面阵的CCD技术。现有的CIS线性扫描技术都用在平板扫描中，要求被扫物体也是平面。CCD采样光学元件为面阵CCD芯片要实现在圆柱体内部的数字化采集，不能消除图像边缘处畸变，且每次采集的微根系图像面积只能不大于CCD面阵靶面积，限制了微根系观测范围。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种根系图像扫描装置，能够较大范围的获取玻璃管壁根系、土壤、生物的状况，得到高分辨率的图像。

基于上述目的本发明提供的一种根系图像扫描装置，包括图像采集机构和行走机构；所述图像采集机构的外壳表面设置有线性图像传感器，其内部设置有驱动电机；所述行走机构控制所述图像采集机构沿其轴线方向运动，所述驱动电机驱动所述图像采集机构外壳绕其轴线旋转，所述线性图像传感器随着所述图像采集机构外壳的旋转而旋转并同时采集图像信息。

在一些实施方式中，所述图像采集机构还包括设置于其前后两端的两个滚轮组，所述滚轮组中的滚轮的轴线与图像采集机构的轴线垂直。

在一些实施方式中，所述每个滚轮组包括3个滚轮，并且沿所述图像采集机构的横截面等间隔设置。

在一些实施方式中，所述滚轮的材料为橡胶状形变材料，且每个所述滚轮均不能沿其轴线方向滑动。

在一些实施方式中，所述图像采集机构还包括前端滚轮座和后端滚轮座，所述图像采集机构外壳设置在前后端滚轮座之间并分别与前后端滚轮座转动连接。

在一些实施方式中，所述驱动电机的主体嵌套并固定在所述图像采集机构外壳内，所述驱动电机的输出轴嵌套并固定在所述前端滚轮座内；所述驱动电机转动时，所述前端滚轮座固定不动，所述驱动电机主体带动所述图像采集机构外壳转动。

在一些实施方式中，所述图像采集机构还包括设置于其内部并与所述线性图像传感器相连的图像采集卡及存储器，所述线性图像传感器将其采集的所述图像信息经所述图像采集卡处理后存储于所述存储器中。

在一些实施方式中，所述行走机构包括行走电机，与行走电机输出轴连接的蜗杆，与蜗杆啮合的蜗轮，以及设置于蜗轮一侧的橡胶摩擦轮；所述行走电机驱动蜗杆转动，所述蜗杆带动蜗轮转动，使得所述橡胶摩擦轮转动，通过所述橡胶摩擦轮与外界接触面间形成的摩擦力带动所述根系图像扫描装置沿其轴线方向运动。

从上面所述可以看出，本发明提供的根系图像扫描装置，提供了一种实用性强、破坏性小、便于操作和可精确测量的自动旋转伸缩扫描图像系统。通过控制线性扫描传感器的深度并实现自动化，准确定点获取根系图像。

较佳的，通过利用CIS传感器采用线阵CIS的优点，在近距离获取图像时图像畸变较小，线阵CIS的尺度可以做到几十厘米，以一次旋转一周较大范围的获取玻璃管壁根系、土壤、生物的状况，得到高分辨率的图像。

附图说明

图1为本发明提供的根系图像扫描装置实施例的结构示意图；

图2为本发明提供的根系图像扫描装置实施例中图像采集机构的立体结构示意图；

图3为本发明提供的根系图像扫描装置实施例中图像采集机构的剖面结构示意图；

图4为本发明提供的根系图像扫描装置实施例中图像采集机构的侧视图；

图5为本发明提供的根系图像扫描装置实施例中行走机构的立体结构示意图；

图6为本发明提供的根系图像扫描装置实施例中行走机构的剖面结构示意图；

图7为图6中行走机构沿D-D方向的剖面结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

参照附图1，为本发明提供的根系图像扫描装置实施例的结构示意图。

所述根系图像扫描装置，包括图像采集机构100和行走机构200，图像采集机构100和行走机构200可通过连接杆203连接；所述图像采集机构100的外壳101表面设置有线性图像传感器102，其内部设置有驱动电机105（参照附图3）；所述行走机构200控制所述图像采集机构100沿其轴线方向运动，所述驱动电机105驱动所述图像采集机构外壳101绕其轴线旋转，所述线性图像传感器102随着所述图像采集机构外壳101的旋转而旋转并同时采集图像信息。

参照附图2至附图4，分别为本发明提供的根系图像扫描装置实施例中图像采集机构100的立体结构示意图、剖面结构示意图和侧视图。

所述图像采集机构100还包括设置于其前后两端的前端滚轮组103和后端滚轮组104，所述滚轮组中的滚轮的轴线与图像采集机构100的轴线垂直，使得当所述根系图像扫描装置沿轴线运动时，前端滚轮组103和后端滚轮组104中的滚轮能够绕其轴线转动。所述每个滚轮组包括3个滚轮，并且沿所述图像采集机构100的横截面等间隔设置（参照附图4）。所述滚轮的材料为橡胶状形变材料，且每个所述滚轮均不能沿其轴线方向滑动。

所述图像采集机构100还包括前端滚轮座111和后端滚轮座110，所述图像采集机构外壳101设置在前后端滚轮座之间并分别通过前端轴承115和后端轴承112与前后端滚轮座转动连接。

所述驱动电机105的主体嵌套并固定在所述图像采集机构外壳101内，所述驱动电机105的输出轴嵌套并通过浮动连接块114固定在所述前端滚轮座111内；所述驱动电机105转动时，所述前端滚轮座111和后端滚轮座110均固定不动，所述驱动电机主体带动所述图像采集机构外壳101转动。

所述图像采集机构100还包括设置于其内部并与所述线性图像传感器102相连的图像采集卡及存储器，所述线性图像传感器102将其采集的所述图像信息经所述图像采集卡处理后存储于所述存储器中。

此外，所述图像采集机构100还可包括设置于所述图像采集机构外壳101后端的后端定位套107和设置于所述图像采集机构外壳101前端的前端定位套108，与所述后端定位套107嵌套连接的旋转接线盘106，所述旋转接线盘106为电能与信号的连接过程结构，该结构能使电信号连接的两端无限的相对旋转。在所述根系图像扫描装置中起电能与信号的连接作用。另外，还可设置用于支撑驱动电机105的电机座109；端盖113、灯笼架后板116、灯笼架前板117和接线座118。

较佳的，所述线性图像传感器102可采用接触式图像传感器（简称：“CIS”或“CIS传感器”）该传感器与传统的电荷耦合元件（简称：“CCD”或“CCD传感器”）或互补金属氧化物半导体图像传感器（简称：“CMOS”或“CMOS传感器”）相比没有调整光路和景深问题。

进一步的，所述CIS传感器输出的2mA的模拟图像信号通过所述图像采集卡进行A/D转换、放大，进入板内的存储器（微处理器）以文件形式保存，程序处理用USB接口输入到计算机再进行图像处理，可以随时调用和浏览。其中，所述存储器可以是图像采集卡自带的TF卡存储器，并提供USB大容量存储器模式接口，将接口引出即可使用，运行过程用户无需干预。

参照附图5至附图7，分别为本发明提供的根系图像扫描装置实施例中行走机构的立体结构示意图、剖面结构示意图，以及图6中行走机构沿D-D方向的剖面结构示意图。

所述行走机构200包括行走电机202（参照附图1），与行走电机202输出轴连接的蜗杆204，与蜗杆204啮合的蜗轮201，以及设置于蜗轮201一侧的橡胶摩擦轮205；所述行走电机202驱动蜗杆204转动，所述蜗杆204带动蜗轮201转动，使得所述橡胶摩擦轮205转动，通过所述橡胶摩擦轮205与外界接触面间形成的摩擦力带动所述根系图像扫描装置沿其轴线方向运动。

下面结合所述根系图像扫描装置的结构对其工作原理进行详细描述。

首先，将透明管状材料（例如硬质玻璃管）预先填埋到待观察的植物根系生长方向的生长基内，且一端端口在生长基外，透明管状材料的内径为所述前后端滚轮组中的6个滚轮以及所述行走机构200的橡胶摩擦轮205均能与其内表面相接触为宜，使得滚轮径向绷涨在透明管状材料内固定，同时施加一定的轴向力也可在玻璃筒内轴向移动。

其次，将根系图像扫描装置放置到所述透明管状材料内，行走机构200给根系图像扫描装置提供透明管状材料内的行走动能。所述行走电机202的旋转动能传动到蜗杆204上，蜗杆204旋转带动与其啮合的蜗轮201旋转，使得蜗轮201一侧的橡胶摩擦轮205与透明管状材料内表面间形成摩擦力，最终蜗轮201的旋转通过橡胶摩擦轮205将行走电机202传动的动能变换成行走动能而使得根系图像扫描装置沿其轴线方向移动。所述行走电机202可采用直流供电电动机，通过改变直流电的供电正负连接方式使得行走电机202顺时针或逆时针旋转，以达到根系图像扫描装置的正向行走或是反向行走。

在通过行走机构200确定了根系图像扫描装置在透明管状材料内的深度之后，由驱动电机105通过控制带动线性扫描传感器102旋转，由于所述滚轮材料为橡胶状形变材料，滚轮滚动方向设计在根系图像扫描装置轴向上，且滚轮在其轴线方向被锁死而不能滑动，当根系图像扫描装置在轴向运动时滚轮滚动，当根系图像扫描装置采集图像作业时滚轮与透明管状材料因较大的摩擦力相对静止，又在驱动电机105产生的扭力作用下使外壳101产生圆周运动。通过控制线性扫描传感器102的分辨率和驱动电机105的旋转速度，匀速在透明管状材料内壁旋转一周采样摄取根系的360度图像，经过专用图像采集卡，将图像转换成数字信号，输入计算机内或显示存储器内。外壳上安装的扫描传感器工作，将数据送至内部处理电路，以完成根系图像采集。

较佳的，所述线性扫描传感器102和驱动电机105的工作可采用控制器进行精确控制。以下描述一种控制器的可实现方式。

所述线性扫描传感器102每次曝光，输出一行图像，曝光时驱动电机105停止运动。图像的像元数量决定横向分辨率。每次曝光的时间均相等（曝光量由程控LED灯的亮度决定）。纵向分辨率由图像的行数决定，一般来说，纵横分辨率应该相等，因此分辨率提高，图像行数上升，曝光次数上升，使得扫描时间延长。设驱动电机105每一步的运行时间，扫描一行后驱动电机105移动的步数，运行一圈的总步数，曝光时间，图像行数为调整扫描仪的分辨率。不同的扫描分辨率是由线性扫描传感器102横向分辨率（扫描条分辨率）r1和采样率h决定的，曝光时间t0，每次采集图像是按红绿蓝三基色分别采样的，每次采样时间t1=（t0+r1×h）×3。曝光时间由白平衡算法自动调节。设纵向分辨率为r2，纵向采集的时机与驱动电机105同步的，驱动电机105每移动一个纵向像素时间为t2则总扫描时间t3=r2×(t2+t1)。

即：在启动图像采集时，先确定采集的分辨率；电路里的控制器先控制线性扫描传感器102扫描一条线（类似照相机照相一张）并把采集到的图像存在内部存储器上，不同的分辨率调整采样率h即可；然后控制器驱动电机105转动一个固定角度A；然后线性扫描传感器102扫描第二条线并把采集到的图像存在内部存储器上；然后重复转动固定角度A、采集保存图像的过程，直至线性扫描传感器102扫描一周。固定角度A（单位：度）与线性扫描传感器102绕根系图像扫描装置周长L（单位：毫米）、分辨率P（单位：DPI）之间的数值关系为：

进一步的，由于CIS传感器，只能检测光强，不能检测颜色。系统设计时采用红、绿、蓝三行LED阵列光源，通过三次曝光得到三原色的图像数据。对于纯白色物体，理论上每个像元将输出相同光强的数据。但由于传感器每个像元的光强灵敏度有微弱差异，对不同颜色也有不同的频率响应，以及光源阵列的非线性差异，使得输出图像出现明暗不一的条纹状缺陷。因此，每个像元的每种颜色都有校准系数，曝光后的原始数据与校准系数矩阵相乘，转换为实际光强。每次扫描前必须使用标准白色纸片对传感器进行校准，可获取最新的校准系数，校准系数，由像元实际输出和线阵平均输出来求得。传感器硬件校准后还可选择进行GAMA校准来增强图像对比度。

从上面所述可以看出，本发明提供的根系图像扫描装置，提供了一种实用性强、破坏性小、便于操作和可精确测量的自动旋转伸缩扫描图像系统。通过控制线性扫描传感器的深度并实现自动化，准确定点获取根系图像。

较佳的，通过利用CIS传感器采用线阵CIS的优点，在近距离获取图像时图像畸变较小，线阵CIS的尺度可以做到几十厘米，以一次旋转一周较大范围的获取玻璃管壁根系、土壤、生物的状况，得到高分辨率的图像。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种根系图像扫描装置，其特征在于，包括图像采集机构和行走机构；所述图像采集机构的外壳表面设置有线性图像传感器，其内部设置有驱动电机；所述行走机构控制所述图像采集机构沿其轴线方向运动，所述驱动电机驱动所述图像采集机构外壳绕其轴线旋转，所述线性图像传感器随着所述图像采集机构外壳的旋转而旋转并同时采集图像信息；

所述图像采集机构还包括前端滚轮座和后端滚轮座，所述图像采集机构的外壳设置在前后端滚轮座之间并分别与前后端滚轮座转动连接；所述驱动电机的主体嵌套并固定在所述图像采集机构外壳内，所述驱动电机的输出轴嵌套并固定在所述前端滚轮座内；所述驱动电机转动时，所述前端滚轮座固定不动，所述驱动电机主体带动所述图像采集机构外壳转动；

所述行走机构包括行走电机，与行走电机输出轴连接的蜗杆，与蜗杆啮合的蜗轮，以及设置于蜗轮一侧的橡胶摩擦轮；所述行走电机驱动蜗杆转动，所述蜗杆带动蜗轮转动，使得所述橡胶摩擦轮转动，通过所述橡胶摩擦轮与外界接触面间形成的摩擦力带动所述根系图像扫描装置沿其轴线方向运动。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述图像采集机构还包括设置于其前后两端的两个滚轮组，所述滚轮组中的滚轮的轴线与图像采集机构的轴线垂直。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述每个滚轮组包括3个滚轮，并且沿所述图像采集机构的横截面等间隔设置。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述滚轮的材料为橡胶状形变材料，且每个所述滚轮均不能沿其轴线方向滑动。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述图像采集机构还包括设置于其内部并与所述线性图像传感器相连的图像采集卡及存储器，所述线性图像传感器将其采集的所述图像信息经所述图像采集卡处理后存储于所述存储器中。