CN104977072A - 果实重量遥测装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种果实重量遥测装置，包括微处理器、触摸屏、高清摄像头与红外测距器，软件系统包括基于数据库的果实颜色识别模块与果实体积识别模块。本发明通过高清摄像头和红外测距器，实现对果实的实时监控，应用了视觉识别与二次样条插值曲线方法，对果实的轮廓进行识别与拟合，通过建立基准曲线计算出的果实体积，并可计算出果实当前的重量显示在触摸屏上，最终实现对果实重量的无损遥控测量。

Description

果实重量遥测装置与方法

技术领域

本发明涉及一种果实测量装置，尤指一种能够无损测量果实重量的遥测装置与方法。

背景技术

果实重量是果实生长状况最重要的指标，通过对果实重量的长期观察研究，改变其周围的生长环境因素，例如温度，湿度，光照等，以提高果实产量。目前的测量方法是先采摘果实，然后对果实进行称重，但在采摘属于破坏性作业，在采摘过程中会人为不可避免的对果实造成损害，从而影响测量结果，容易对果实成长环境造成错误分析。

发明内容

为了克服现有测量方法对果实造成不可逆的损害，本发明提供一种果实重量遥测装置与方法，可以采用无损手段获得果实的重量。

一种果实重量遥测装置，包括微处理器、触摸屏、高清摄像头与红外测距器，软件系统包括基于数据库的果实颜色识别模块与果实体积识别模块。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述高清摄像头对果实进行拍摄，并通过视觉识别技术对果实的轮廓进行识别与拟合。

所述红外测距器对采样位置进行测距，并利用二次样条插值曲线方法，建立基准曲线。

所述数据库建立有果实品种、色谱、平均密度因子与果实重量的 关系，并且定义了各因子与果实重量的相关性，通过已有的数据信息匹配果实颜色识别模块和果实体积识别模块传送的数据。

一种利用上述装置进行果实重量遥测方法，包含以下步骤：

第一步：将果实重量遥测装置以合适的角度对准选定果实，触摸屏显示高清摄像头所瞄准的测量果实的图像与红外测距器发出的“+”标志，红外测距器实时测量“+”距离高清摄像头的距离d；

第二步：通过果实颜色识别模块获得果实的颜色像素，并通过视觉识别技术在触摸屏上自动实时勾画出果实的二维轮廓，如果正确则由操作者进行确认，设备将该轮廓图像作为经线1进行存储；

第三步：操作者以果实为中心移动果实重量遥测装置，果实的二维轮廓发生变化，操作者在不同角度上多次确认轮廓图像，分别存储为经线2、经线3……经线n；

第四步：在不同角度位置上建立轮廓图像的同时，红外测距器将多次采样位置测距并记录，得到果实平面的多个采样点；采用二次样条插值法通过由多个采样点来建立本次采样的基准图像，即为纬线；

第五步：将果实的基准图像即纬线横切由轮廓图像即经线1、经线2……经线n组成的近似球体，得到横切图；

第六步：计算横切图中rn，果实横切图的面积  $M=\mathrm{\π}{\left(\frac{r_1+r_2+...+r_n}{n}\right)}^2;$

第七步：果实体积

第八步：计算得出果实的重量G＝ρV。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述第四步中二次样条插值法的方法如下：

假设有n+1个不同的节点x_i

x₀＜x₁＜...＜x_n-1＜x_n

以及n+1节点值y_i，建立一个n阶样条函数 

$S\left(x\right)=\left\{\begin{array}{cc}{S}_0\left(x\right)& x\∈[x_0,x_1]\\ S_1\left(x\right)& x\∈[x_1,x_2]\\ .& \\ .& \\ .& \\ S_{n-1}\left(x\right)& x\∈[x_{n-1},x_n]\end{array}\right.$

其中每个S_i(x)都是一个K次的多项式，取K＝2，则二次样条插值函数为：

$S_i\left(x\right)=y_i+z_i(x-x_i)+\frac{z_{i+1}-z_i}{2(x_{i+1}-x_i)}{(x-x_i)}^2$

通过选择z₀，然后用递推关系就可以得到系数z_i+1。

$z_{i+1}={-z}_i+2\frac{y_{i+1}-y_i}{x_{i+1}-x_i}.$

本发明的有益效果在于：本发明通过高清摄像头和红外测距器，实现对果实的实时监控，应用了视觉识别与二次样条插值曲线方法，对果实的轮廓进行识别与拟合，通过建立基准曲线计算出的果实体积，并可计算出果实当前的重量显示在触摸屏上，最终实现对果实重量的无损遥控测量。本发明中的数据库建立有果实品种、色谱、平均密度因子与果实重量的关系，并且定义了各因子与果实重量的相关性，通过已有的数据信息匹配果实颜色识别模块和果实体积识别模块传送的数据。本发明避免采摘果实进行测量果实重量而引起的因观察 个体的改变而导致的测量结果不准确。使用本发明装置，通过每天1～2次的非破坏性的连续遥测，可以获得果实在特定的生长环境中整个生长周期内的完整连续的数据，为作物研究提供科学准确的数据。

附图说明

图1本发明果实重量遥测装置的系统图。

图2为果实的n个轮廓图像。

图3为5个采样点。

图4为基于二次样条插值法的基准图像。

图5为果实基准图像的横切图。

图6为本发明软件运行界面一。

图7为本发明软件运行界面二。

图中：101、微处理器；102、触摸屏；103、高清摄像头；104、红外测距器；105、果实颜色识别模块；106、果实体积识别模块；107、数据库。 

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细的说明。

如图1所示，本发明的果实重量遥测装置包括微处理器101、触摸屏102、高清摄像头103与红外测距器104，软件系统包括基于数据库107的果实颜色识别模块105与果实体积识别模块106。

实际工作时，通过触摸屏102输入测量果实的品种，此时微处理器101从数据库107中获得相应果实的密度ρ。将果实重量遥测装置 以合适的角度对准选定果实，高清摄像头103与红外测距器104开始工作，触摸屏102显示高清摄像头103所瞄准的测量果实的图像，图像中央上同时会出现一个红外测距器104发出的“+”标志，红外测距器104同时会实时测量“+”距离高清摄像头103的距离d。有了果实的距离d后，通过果实颜色识别模块105获得果实的颜色像素，并通过视觉识别技术在触摸屏102上自动实时勾画出果实的二维轮廓，如果正确则由操作者进行确认，设备将该轮廓图像作为经线1进行存储。操作者以果实为中心移动果实重量遥测装置，果实的二维轮廓发生变化，操作者在不同角度上多次确认轮廓图像，分别存储为经线2、经线3……经线n，参见图2。

在不同角度位置上建立轮廓图像的同时，红外测距器104将多次采样位置测距并记录，得到果实平面的多个采样点。如图3至图4所示，本发明中采用二次样条插值法通过由5个采样点来建立本次采样的基准图像，即为纬线。通过二次样条插值法拟合曲线的步骤如下：

假设有n+1个不同的节点x_i

x₀＜x₁＜...＜x_n-1＜x_n

以及n+1节点值y₁，要找到一个n阶样条函数 

$S\left(x\right)=\left\{\begin{array}{cc}{S}_0\left(x\right)& x\∈[x_0,x_1]\\ S_1\left(x\right)& x\∈[x_1,x_2]\\ .& \\ .& \\ .& \\ S_{n-1}\left(x\right)& x\∈[x_{n-1},x_n]\end{array}\right.$

其中每个S_i(x)都是一个K次的多项式，本发明中K＝2，称为二次样条插值。

二次样条插值函数为：

$S_i\left(x\right)=y_i+z_i(x-x_i)+\frac{z_{i+1}-z_i}{2(x_{i+1}-x_i)}{(x-x_i)}^2$

通过选择z₀，然后用递推关系就可以得到系数z_i+1。

$z_{i+1}={-z}_i+2\frac{y_{i+1}-y_i}{x_{i+1}-x_i}.$

如图5所示，将果实的基准图像(即纬线)横切由轮廓图像(即经线1、经线2……经线n)组成的近似球体，得到横切图。

横切图中，r_n＝Sⁿ(h)，Sⁿ(h)表示第n个基准图像二次样条插值曲线函数，果实横切图的面积

则果实体积

最后微处理器101计算得出果实的重量，G＝ρV。

图6与图7为本发明软件运行界面。本发明应用了视觉识别与二次样条插值曲线方法，对果实的轮廓进行识别与拟合，通过建立基准曲线计算出的果实体积，并可计算出果实当前的重量显示在触摸屏102上，最终实现对果实重量的无损遥控测量。本发明中的数据库107建立有果实品种、色谱、平均密度因子与果实重量的关系，并且定义了各因子与果实重量的相关性，通过已有的数据信息匹配果实颜色识别模块和果实体积识别模块传送的数据。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种果实重量遥测装置，其特征在于：包括微处理器(101)、触摸屏(102)、高清摄像头(103)与红外测距器(104)，软件系统包括基于数据库(107)的果实颜色识别模块(105)与果实体积识别模块(106)。

2.按照权利要求1所述的果实重量遥测装置方法，其特征在于：所述高清摄像头(103)对果实进行拍摄，并通过视觉识别技术对果实的轮廓进行识别与拟合。

3.按照权利要求1所述的果实重量遥测装置方法，其特征在于：所述红外测距器(104)对采样位置进行测距，并利用二次样条插值曲线方法，建立基准曲线。

4.按照权利要求1所述的果实重量遥测装置方法，其特征在于：所述数据库(107)建立有果实品种、色谱、平均密度因子与果实重量的关系，并且定义了各因子与果实重量的相关性，通过已有的数据信息匹配果实颜色识别模块(105)和果实体积识别模块(106)传送的数据。

5.一种利用权利要求1所述的装置进行果实重量遥测方法，其特征在于包含以下步骤：

第一步：将果实重量遥测装置以合适的角度对准选定果实，触摸屏(102)显示高清摄像头(103)所瞄准的测量果实的图像与红外测距器(104)发出的“+”标志，红外测距器(104)实时测量“+”距离高清摄像头(103)的距离d；

第二步：通过果实颜色识别模块(105)获得果实的颜色像素，并通过视觉识别技术在触摸屏(102)上自动实时勾画出果实的二维轮廓，如果正确则由操作者进行确认，设备将该轮廓图像作为经线1进行存储；

第三步：操作者以果实为中心移动果实重量遥测装置，果实的二维轮廓发生变化，操作者在不同角度上多次确认轮廓图像，分别存储为经线2、经线3……经线n；

第四步：在不同角度位置上建立轮廓图像的同时，红外测距器(104)将多次采样位置测距并记录，得到果实平面的多个采样点；采用二次样条插值法通过由多个采样点来建立本次采样的基准图像，即为纬线；

第五步：将果实的基准图像即纬线横切由轮廓图像即经线1、经线2……经线n组成的近似球体，得到横切图；

第六步：计算横切图中r_n，果实横切图的面积

第七步：果实体积

第八步：计算得出果实的重量G＝ρV。

6.按照权利要求5所述的果实重量遥测方法，其特征在于：所述第四步中二次样条插值法的方法如下：

假设有n+1个不同的节点x_i

x₀＜x₁＜...＜x_n-1＜x_n

以及n+1节点值yⁱ，建立一个n阶样条函数

$S\left(x\right)=\left\{\begin{array}{cc}{S}_0\left(x\right)& x\∈[x_0,x_1]\\ S_1\left(x\right)& x\∈[x_1,x_2]\\ \·& \\ \·& \\ \·& \\ S_{n-1}\left(x\right)& x\∈[x_{n-1},x_n]\end{array}\right.$

其中每个S_i(x)都是一个K次的多项式，取K＝2，则二次样条插值函数为：

$S_i\left(x\right)=y_i+z_i(x-x_i)+\frac{z_{i+1}-z_i}{2(x_{i+1}-x_i)}{(x-x_i)}^2$

通过选择z₀，然后用递推关系就可以得到系数z_i+1

$z_{i+1}=-z_i+2\frac{y_{i+1}-y_i}{x_{i+1}-x_i}.$