CN104322187B - 一种穴盘苗图像采集装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种穴盘苗图像采集装置和方法，其采用茎杆挠弯部件将处在图像采集工作位置的当前行穴盘苗的植株向后挠弯，使其露出茎杆部分，而当前行穴盘苗的前一行穴盘苗依旧保持直立状态；然后利用相机采集水平投影下的穴盘苗彩色图像，并将信息传递给工控机，再利用图像处理方法处理该彩色图像，同时获取前一行穴盘苗的叶面积、周长、颜色等水平投影下的基本信息和当前行每株穴盘苗的茎粗信息。本发明结构简单，在获取穴盘苗水平投影下基本信息的同时，获取了穴盘苗的茎粗信息，有效解决了现有健康苗识别技术中存在的茎粗信息缺失这一问题，完善了健康苗判别准则，提高了健康苗识别精度。

Description

一种穴盘苗图像采集装置和方法

技术领域

本发明属于自动移栽时健康苗识别领域，具体涉及一种穴盘苗图像采集装置和方法。

背景技术

工厂化育苗技术以其突出的优点得到快速发展，穴盘精量播种已逐步代替传统的手工播种，但在实际生产中因受种子发芽率、漏播、种子个体变异以及苗期管理环境差异的影响，穴盘内会出现无苗或存有非健康苗的穴孔，进而导致后续机械化批量移栽出现漏栽现象。这促使人们加大了对温室移栽作业中健康苗图像识别技术的研发，但目前穴盘苗图像采集系统提取的特征仅限于穴盘苗的叶面积、周长、颜色等。提取特征值的有限为建立健康苗判别准则带来了一定的难度，且其精准度不高。

茎粗对识别健壮苗有正向的决定作用，并且茎粗与叶面积、苗干重、根干重、根体积之间一般存在显著乃至极显著的正相关关系。茎粗作为评价壮苗指数最常用的单项性状指标之一，在很大程度上代表或反映出种苗的生长发育程度，对生态因子的反应有明显的方向性，即随环境条件的改善，指标量逐渐增高；在正常的范围内，特别在种苗没有明显徒长的时候，这些指标具有稳定的代表性，因此健康苗图像识别过程中获取作物的茎粗信息显得尤为重要。然而，由于种苗的茎杆多半被种苗的苗叶所遮盖，所以水平投影下很难获取穴盘苗的茎粗信息。又由于穴盘中的种苗相互排列成行或成列，所以也很难通过侧面拍摄获取每一株穴盘苗的茎杆信息。

发明内容

本发明目的在于提供一种穴盘苗图像采集装置和方法，在获取穴盘苗叶面积、周长、颜色等水平投影下的基本信息的同时，获取穴盘苗的茎粗信息。从而解决现有穴盘苗图像采集技术中存在的茎粗信息缺失这一问题，提高健康苗识别精度。

为实现上述目的，本发明实施例提供了一种穴盘苗图像采集装置，包括穴盘输送系统、图像采集系统和控制单元；

所述穴盘输送系统包括输送台架、传送带、传送带驱动装置和穴盘到位检测元件；所述图像采集系统包括门型机架、带有图像采集卡的工控机、相机和茎杆挠弯部件；所述门型机架包括横梁，所述横梁两端固定连接有横梁支架，所述横梁支架分别安装在所述输送台架的两侧；所述相机安装在所述横梁上，且所述相机的摄像头正对于所述传送带；所述茎杆挠弯部件包括挡苗板，所述挡苗板安装在所述横梁支架上，且位于所述相机摄像头的下方；

所述挡苗板与所述横梁支架之间安装有滑块，所述横梁支架上设有滑槽，所述滑块通过第一定位螺钉固定在所述滑槽内；松开所述第一定位螺钉，所述挡苗板通过所述滑块在所述横梁支架的滑槽内滑动；

所述挡苗板两端设有转轴，所述滑块上设有安装孔，所述转轴通过第二定位螺钉固定在所述安装孔内；松开所述第二定位螺钉，所述挡苗板通过所述转轴在所述安装孔内转动；

所述传送带驱动装置安装在所述输送台架上，通过链传动或带传动驱动所述传送带向前运动；所述穴盘到位检测元件安装在所述输送台架上，且位于所述相机摄像头的下方；所述控制单元分别与所述的工控机、传送带驱动装置和穴盘到位检测元件相连，所述工控机(210)与所述相机相连。

进一步的，所述挡苗板距离所述传送带表面的高度h1与穴盘高度h2、穴盘苗的茎杆高度h3间的关系式为：h2+2/3h3≤h1≤h2+h3。

进一步的，为确保所述挡苗板在可靠地将穴盘苗植株挠弯便于所述穴盘苗的茎粗信息获取的同时，不折损所述穴盘苗，所述挡苗板与穴盘进给方向所成角度α为110°～130°。

进一步的，所述穴盘到位检测元件为光电传感器或接近开关中的一种。

根据本发明实施例提供的一种穴盘苗图像采集方法，包括以下步骤：

S1、将n行穴盘放置在传送带上，启动穴盘输送系统，穴盘在传送带的带动下向前输送；

当穴盘中第1行穴盘苗输送到图像采集工作位置时，停止穴盘输送，挡苗板将第1行穴盘苗的植株向后挠弯，露出茎杆；

启动图像处理系统，相机采集水平投影下穴盘苗的彩色图像并传递信息至工控机，再应用图像处理方法获取第1行穴盘苗的茎粗特征参数；

S2、继续穴盘输送，当穴盘中第2行穴盘苗输送到图像采集工作位置时，停止穴盘输送，挡苗板将第2行穴盘苗的植株向后挠弯，露出茎杆；第1行穴盘苗保持直立状态；

相机采集水平投影下穴盘苗的彩色图像并传递信息至工控机，再应用图像处理方法获取第1行穴盘苗的叶上部特征参数和第2行穴盘苗的茎粗特征参数；

S3、重复操作步骤2，依次获取第m(m＝2，3，…，n-1)行穴盘苗的叶上部特征参数和第m+1行穴盘苗的茎粗特征参数；

S4、继续穴盘输送，当穴盘向前进给一行后停止输送，第n行穴盘苗从挡苗板中释放，保持直立状态；

相机采集水平投影下穴盘苗的彩色图像并传递信息至工控机，再应用图像处理方法获取第n行穴盘苗的叶上部特征参数；

S5、返回步骤1。

进一步的，为提高图像采集获得的所述穴盘苗特征参数的精确度，所述的图像采集工作位置为相机摄像头的正下方；

进一步的，所述的图像采集工作位置通过穴盘到位检测元件检测获得；

进一步的，所述穴盘苗的叶上部特征参数包括颜色、叶面积和叶边周长特征参数。

本发明的技术效果：(1)采用茎杆挠弯部件将处在图像采集工作位置的当前行穴盘苗的植株向后挠弯，使其露出茎杆，而当前行穴盘苗的前一行穴盘苗依旧保持直立状态，从而通过一次的图像采集，便可同时获取前一行穴盘苗的叶面积、周长、颜色等水平投影下的基本信息和当前行每株穴盘苗的茎粗信息，有效解决了现有健康苗识别技术中存在的茎粗信息缺失这一问题，完善了健康苗判别准则，提高了健康苗识别精度；

(2)采用挡苗板将当前行穴盘苗向后挠弯，改善了前一行穴盘苗的苗叶重叠现象，有利于叶面积、周长等特征参数的提取，进一步提高了健康苗识别精度；

(3)所述茎杆挠弯部件的挡苗板高度和倾斜角度可根据不同作物品种的移栽种苗高度进行调节，其适用性较为广泛，且调节方法简便；

(4)所述挡苗板与穴盘进给方向成一定的倾斜角度，在确保将穴盘苗植株挠弯便于茎粗信息获取的同时，不损伤穴盘苗的苗叶和茎杆；此外，还可确保穴盘苗从挡苗板中释放后能有效回弹保持直立状态；

(5)所述图像采集装置结构简单，成本低且使用操作方便。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点将从下面结合附图对实施例的描述中变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明的穴盘苗图像采集装置的结构示意图。

图2为本发明的茎杆挠弯装置的爆炸视图。

图3为本发明的挡苗板的高度调节示意图。

图4为本发明的挡苗板的角度调节示意图。

图5为相机采集到的水平投影下穴盘苗图像。

图6为本发明采集第二行穴盘苗图像的工作示意图。

图7为图6的侧视图。

附图说明如下：

图中：100-输送台架，110-传送带，112-传送带驱动装置，120-穴盘到位检测元件，130-穴盘，140-穴盘苗，142-苗叶，144-茎杆，150-穴盘进给方向，200-横梁，202-横梁支架，204-滑槽，210-工控机，220-相机，230-挡苗板，232-滑块，233-安装孔，234-第一定位螺钉，235-第一定位孔，236-转轴，237-第二定位孔，238-第二定位螺钉，240-控制单元。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语均应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

目前穴盘苗图像采集装置及方法仅限于获取穴盘苗叶面积、周长、颜色等水平投影下的叶上部信息，而忽略了壮苗指数中最常用的茎粗指标。提取特征值的有限为建立健康苗判别准则带来了一定的难度，进而影响健康苗的识别精度。

在穴盘苗图像采集过程中，由于种苗的茎杆多半被种苗的苗叶所遮盖，所以水平投影下很难获取穴盘苗的茎粗信息。又由于穴盘中的种苗相互排列成行或成列，所以也很难通过侧面拍摄获取每一株穴盘苗的茎杆信息。

本发明目的在于提供一种穴盘苗图像采集装置和方法，在获取穴盘苗叶面积、周长、颜色等水平投影下的基本信息的同时，获取穴盘苗的茎粗信息。从而解决现有技术中存在的茎粗信息缺失这一问题，提高健康苗识别精度。

下面参照附图详细描述本发明的穴盘苗图像采集装置。

如图1和图2所述，实现本发明的穴盘苗图像采集装置包括穴盘输送系统、图像采集系统和控制单元240。

所述穴盘输送系统包括输送台架100、传送带110、传送带驱动装置112和穴盘到位检测元件120；

所述图像采集系统包括门型机架、带有数据采集卡的工控机210、相机220和茎杆挠弯部件；所述门型机架包括横梁200，所述横梁200两端固定连接有横梁支架202，所述横梁支架202分别安装在所述输送台架100的两侧，且所述横梁支架202上设有滑槽204；所述相机220安装在所述横梁200的中心位置，且所述相机220的摄像头正对于所述传送带110；所述门型机架可优选为铝型材。

所述传送带驱动装置112安装在所述输送台架100上，通过链传动或带传动驱动所述传送带110向前运动；所述穴盘到位检测元件120安装在所述输送台架100上，且位于所述相机220摄像头的下方，用于检测穴盘苗的输送到位信息；所述穴盘到位检测元件120为光电传感器或接近开关中的一种，优选为对射型光电传感器。

所述控制单元240分别与所述的工控机210、传送带驱动装置112和穴盘到位检测元件120相连，所述工控机210与所述相机220相连。

所述茎杆挠弯部件包括挡苗板230和滑块232；所述挡苗板230两端设有转轴236，所述滑块232上设有安装孔233、第一定位孔235和第二定位孔237；所述挡苗板230的转轴236安装在所述滑块232的安装孔233内，并通过第二定位螺钉238和第二定位孔237进行固定；所述滑块232通过第一定位螺钉234和第一定位孔235固定在所述横梁支架202的滑槽204内，且位于所述相机220摄像头的下方。松开第一定位螺钉234，所述挡苗板230可通过所述滑块204在所述横梁支架202的滑槽204内滑动；松开第二定位螺钉238，所述挡苗板230的转轴236可在所述滑块232的安装孔233内转动。

使用过程中，根据不同作物的移栽穴盘苗高度，分别通过第一定位螺钉234和第二定位螺钉238对挡苗板230的安装高度和倾斜角度进行调节。

优选地，所述挡苗板230距离所述传送带110表面的高度h1与穴盘130高度h2、穴盘苗140的茎杆144高度h3间的关系式为：h2+2/3h3≤h1≤h2+h3(见图3)。所述挡苗板230与穴盘进给方向150所成角度α为110°～130°(见图4)。以此确保挡苗板230能将穴盘苗140挠弯使其露出茎杆144便于茎粗信息获取，同时还可确保穴盘苗140从挡苗板230中释放后能有效回弹保持直立状态，且保证穴盘苗140的苗叶142和茎杆144不受损伤。

进一步地，所述控制单元240为单片机或PLC控制器中的一种，所述穴盘苗140可为茄果类、瓠果类、夹豆类中的任一种；所述穴盘130为50孔(10行×5列)、72孔(12行×6列)、98孔(14行×7列)、128孔(16行×8列)和200孔(20行×10列)规格中的任一种。

工作原理为：根据穴盘苗140的生长情况，调节好茎杆挠弯部件的高度和倾斜角度；然后启动穴盘输送系统，穴盘130在传送带110的驱动下向前输送；当对射型光电传感器感应到穴盘130的到位信息后将信号传送至控制单元240，控制单元240一方面控制传送带驱动装置112使其停止运转，穴盘输送停止；一方面启动相机220的外触发功能，采集垂直下方的穴盘苗图像并将信息传送至工控机210。此时，挡苗板230将处在图像采集工作位置的当前行穴盘苗的植株向后挠弯，使其露出茎杆144，而当前行穴盘苗的前一行穴盘苗依旧保持直立状态，相机220采集到的穴盘苗图像如图5所示。

然后应用图像处理方法对穴盘苗图像进行一系列图像处理，从中提取出前一行穴盘苗的叶面积、周长、颜色等水平投影下的基本信息和当前行每株穴盘苗的茎粗信息。综合提取出的每株穴盘苗的所有特征参数判断该株穴盘苗是否为健康苗，并将判断结果传送给控制单元240，为后续健康苗移栽提供位置信息依据。

下面将以番茄苗为例，对本发明所述穴盘苗图像采集装置的图像采集方法作进一步说明。所选穴盘规格为72孔(12行×6列)穴盘，简称12行穴盘，具体实施步骤如下：

S0、根据待移栽番茄苗的生长状况分别调节挡苗板230相对传送带110的高度h1和相当于穴盘进给方向150的倾斜角度α，使其满足公式h2+2/3h3≤h1≤h2+h3，110°≤α≤130°；其中，h2为穴盘130的高度，h3为穴盘苗的茎杆144高度。

S1、将穴盘130放置在传送带110上，启动穴盘输送系统，穴盘130在传送带110的带动下向前输送；

当穴盘到位检测元件120检测到穴盘130中第1行番茄苗输送到图像采集工作位置时，停止穴盘输送，挡苗板230将第1行番茄苗的植株向后挠弯，使其露出茎杆144(图1)；

启动图像处理系统，相机220采集水平投影下番茄苗的彩色图像并将信息传递给工控机210，再应用图像处理方法处理该彩色图像，获取第1行番茄苗的茎粗特征参数；

S2、继续穴盘输送，第1行番茄苗逐渐从挡苗板230中释放，第2行番茄苗的植株逐渐被挡苗板230向后挠弯；当穴盘到位检测元件120检测到穴盘130中第2行番茄苗输送到图像采集工作位置时，停止穴盘输送；此时，第2行穴盘苗的植株向后挠弯，露出茎杆144，第1行番茄苗保持直立状态，如图6和图7所示；

相机220采集水平投影下番茄苗的彩色图像并将信息传递给工控机210，再应用图像处理方法处理该彩色图像，获取第1行番茄苗的叶上部特征参数(即颜色、叶面积和叶边周长等信息)和第2行番茄苗的茎粗特征参数；

由于此时第2行番茄苗被挡苗板230向后挠弯，所以其苗叶142不会干扰到第1行番茄苗的叶上部特征参数提取，提高了图像采集精度；

S3、继续穴盘输送，第2行番茄苗逐渐从挡苗板230中释放；第3行番茄苗的植株逐渐被挡苗板230向后挠弯；当穴盘130中第3行番茄苗输送到图像采集工作位置时，停止穴盘输送；此时，第3行穴盘苗的植株向后挠弯，露出茎杆144，第2行番茄苗保持直立状态；

相机220采集水平投影下番茄苗的彩色图像，并应用图像处理方法获取第2行番茄苗的叶上部特征参数(即颜色、叶面积和叶边周长等信息)和第3行番茄苗的茎粗特征参数；

S4、参照步骤2和3，继续穴盘输送，依次获取第3，4，…，12行穴盘苗的叶上部特征参数和第4，5，…，11行穴盘苗的茎粗特征参数；

S4、继续穴盘输送，当穴盘130向前进给一行后停止输送，此时第12行穴盘苗从挡苗板230中释放，保持直立状态；

启动相机220，采集水平投影下番茄苗的彩色图像，并应用图像处理方法获取第12行番茄苗的叶上部特征参数；

S5、返回步骤1，进行下一盘穴盘苗的图像采集工作。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种穴盘苗图像采集装置，其特征在于，包括穴盘输送系统、图像采集系统和控制单元(240)；

所述穴盘输送系统包括输送台架(100)、传送带(110)、传送带驱动装置(112)和穴盘到位检测元件(120)；

所述图像采集系统包括门型机架、带有图像采集卡的工控机(210)、相机(220)和茎杆挠弯部件；

所述门型机架包括横梁(200)，所述横梁(200)两端固定连接有横梁支架(202)，所述横梁支架(202)分别安装在所述输送台架(100)的两侧；

所述相机(220)安装在所述横梁(200)上，且所述相机(220)的摄像头正对于所述传送带(110)；

所述茎杆挠弯部件包括挡苗板(230)，所述挡苗板(230)安装在所述横梁支架(202)上，且位于所述相机(220)摄像头的下方；

所述挡苗板(230)与所述横梁支架(202)之间安装有滑块(232)，所述横梁支架(202)上设有滑槽(204)，所述滑块(232)通过第一定位螺钉(234)固定在所述滑槽(204)内；松开所述第一定位螺钉(234)，所述挡苗板(230)通过所述滑块(232)在所述横梁支架(202)的滑槽(204)内滑动；

所述挡苗板(230)两端设有转轴(236)，所述滑块(232)上设有安装孔(233)，所述转轴(236)通过第二定位螺钉(238)固定在所述安装孔(233)内；松开所述第二定位螺钉(238)，所述挡苗板(230)通过所述转轴(236)在所述安装孔(233)内转动；

所述传送带驱动装置(112)安装在所述输送台架(100)上，通过链传动或带传动驱动所述传送带(110)向前运动；所述穴盘到位检测元件(120)安装在所述输送台架(100)上，且位于所述相机(220)摄像头的下方；

所述控制单元(240)分别与所述的工控机(210)、传送带驱动装置(112)和穴盘到位检测元件(120)相连，所述工控机(210)与所述相机(220)相连。

2.如权利要求1所述的穴盘苗图像采集装置，其特征在于，所述挡苗板(230)距离所述传送带(110)表面的高度h1与穴盘(130)高度h2、穴盘苗(140)的茎杆(144)高度h3间的关系式为：h2+2/3h3≤h1≤h2+h3。

3.如权利要求1所述的穴盘苗图像采集装置，其特征在于，所述挡苗板(230)与穴盘进给方向(150)所成角度α为110°～130°。

4.如权利要求1所述的穴盘苗图像采集装置，其特征在于，所述穴盘到位检测元件(120)为光电传感器或接近开关中的一种。

5.一种穴盘苗图像采集方法，其特征在于包括以下步骤：

S1、将n行穴盘(130)放置在传送带(110)上，启动穴盘输送系统，穴盘(130)在传送带(110)的带动下向前输送；

当穴盘(130)中第1行穴盘苗输送到图像采集工作位置时，停止穴盘输送，挡苗板(230)将第1行穴盘苗的植株向后挠弯，露出茎杆(144)；

启动图像处理系统，相机(220)采集水平投影下穴盘苗(140)的彩色图像并传递信息至工控机(210)，再应用图像处理方法获取第1行穴盘苗的茎粗特征参数；

S2、继续穴盘输送，当穴盘(130)中第2行穴盘苗输送到图像采集工作位置时，停止穴盘输送，挡苗板(230)将第2行穴盘苗的植株向后挠弯，露出茎杆(144)；第1行穴盘苗从挡苗板(230)中释放，保持直立状态；

相机(220)采集水平投影下穴盘苗(140)的彩色图像并传递信息至工控机(210)，再应用图像处理方法获取第1行穴盘苗的叶上部特征参数和第2行穴盘苗的茎粗特征参数；

S3、重复操作步骤2，依次获取第m(m＝2，3，…，n-1)行穴盘苗的叶上部特征参数和第m+1行穴盘苗的茎粗特征参数；

S4、继续穴盘输送，当穴盘(130)向前进给一行后停止输送，第n行穴盘苗从挡苗板(230)中释放，保持直立状态；

相机(220)采集水平投影下穴盘苗(140)的彩色图像并传递信息至工控机(210)，再应用图像处理方法获取第n行穴盘苗的叶上部特征参数；

S5、返回步骤1。

6.根据权利要求5所述的穴盘苗图像采集方法，其特征在于，所述的图像采集工作位置为相机(220)摄像头的正下方。

7.根据权利要求6所述的穴盘苗图像采集方法，其特征在于，所述的图像采集工作位置通过穴盘到位检测元件(120)检测获得。

8.根据权利要求5所述的穴盘苗图像采集方法，其特征在于，所述穴盘苗的叶上部特征参数包括颜色、叶面积和叶边周长特征参数。