CN105043553A - 单株盆栽水稻温度参数自动测量装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单株盆栽水稻温度参数自动测量装置及其测量方法，测量装置包括检测区滚筒输送线15、两侧分别设有输入端电动门3和输出端电动门7的检测暗室11等。测量方法包括将黑体温度设置为30℃；关闭输入端电动门和输出端电动门，用红外相机拍摄一张检测暗室内的背景图像等步骤。本发明利用黑体和红外相机成像的方法，用数字图像处理技术处理拍摄到的红外图像，并用黑体实时校正，得到单株盆栽水稻温度参数。该方法无需直接接触水稻，且可避免一般热像仪长时间使用后的温度漂移，将拍摄、计算和校正集成到一个系统中，具有安全无损、测量结果准确可靠、操作简单等优点。

Description

单株盆栽水稻温度参数自动测量装置及其测量方法

技术领域

本发明涉及机器视觉检测技术领域，具体为一种单株盆栽水稻温度参数自动测量装置及其测量方法。

背景技术

各种植物的生长、发育都要求有一定的温度条件，且植物的生长和繁殖要在一定的温度范围内进行。在此温度范围的两端是最低和最高温度。低于最低温度或高于最高温度都会引起植物体停止生长甚至死亡。最低与最高温度之间有一个最适温度范围，在最适温度范围内植物生长繁殖处于最佳状态。植物本身温度可以反映植物本身的生长状况。目前研究表明，温度可以间接反映植物受胁迫情况、光合作用速率以及旱涝等情况。因此，植物的温度参数可以帮助研究人员及早发现植物胁迫情况，以便及时调整植物的施肥和灌溉。另外，植物的温度参数还可以帮助研究人员在极端胁迫情况下发现变异植物，从而提高突变体检测的效率。所以，测量植物的温度参数对植物的培养和育种研究非常重要。而水稻是我国的主要粮食作物，测量水稻的温度参数对于数字化农业研究意义非常重大。多数情况下，测量植物温度参数主要是将植物置于定温生长箱下，并将热电偶固定在叶片下表皮，以此来获得叶片单点温度。随着计算机技术的飞速发展，机器视觉技术的应用越来越广泛。与传统的热电偶方式测温相比，机器视觉技术具有精度高、速度快、无损非接触、重复性好等优点，在数字化农业研究领域有着广阔的应用前景。国内外对温度参数的研究主要是红外热像仪。主要代表是FLIR公司生产的红外热成像仪。该公司生产的手持式红外热像仪可测量视野内单点温度，或是手动选取感兴趣区域内的温度。但是该热像仪长时间使用后会存在温度漂移需要回厂重新校正，且不能自动识别感兴趣区域，另外，该公司仪器造价昂贵，对仪器的推广及数字化农业的发展极为不利。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述不足提供一种单株盆栽水稻温度参数自动测量装置及其测量方法。

本测量装置包括检测区滚筒输送线15、两侧分别设有输入端电动门3和输出端电动门7的检测暗室11、用于控制输入端电动门3和输出端电动门7开关的检测区对射式光电开关4、用于拍摄盆栽水稻的红外相机5、用于校正红外相机5探测温度的黑体6、电动升降台12、安装在电动升降台12上的电动旋转台13以及位于电动旋转台13上的输送底托14，所述检测区滚筒输送线15、输入端电动门3、输出端电动门7、检测区对射式光电开关4、红外相机5、黑体6、电动升降台12、电动旋转台13和输送底托14均位于检测暗室11内，其特征在于还包括输入端滚筒输送线1、输出端滚筒输送线10以及用于控制输入端电动门3的输入端接近开关2，所述输入端滚筒输送线1和输出端滚筒输送线10分别连接在检测区滚筒输送线15两端，所述检测区滚筒输送线15上设有用于安装电动升降台12的安装缺口15a,所述输送底托14的底面面积大于电动旋转台13和安装缺口15a的面积，所述输入端接近开关2位于输入端滚筒输送线1一侧，所述检测区对射式光电开关4位于检测区滚筒输送线15一侧，所述红外相机5和黑体6分别位于检测区滚筒输送线15两侧。

本测量方法包括以下步骤：

001、将黑体温度设置为30℃；

002、关闭输入端电动门3和输出端电动门7，用红外相机5拍摄一张检测暗室11内的背景图像；

003、将盛有盆栽水稻的输送底托14放到输入端滚筒输送线1上，启动整个滚筒输送线，当输入端接近开关2检测到输送底托14时，输入端电动门3打开；

004、输送底托14通过输入端电动门3进入检测暗室11，经检测区滚筒输送线15输送至电动旋转台13位置时，检测区对射式光电开关4检测到输送底托14，输入端电动门3和输出端电动门7关闭，整个滚筒输送线停止，此时输送底托14与电动旋转台13中心重合；

005、电动升降台12将电动旋转台13和输送底托14顶升至上位，电动旋转台13带动输送底托14旋转，同时，用红外相机5每隔15°拍一张盆栽水稻的照片，得到24张盆栽水稻的侧视红外图像，在拍摄的同时，记录红外相机5的探测温度；

006、拍摄完之后，电动旋转台13停止旋转，电动升降台12下降，打开输入端电动门3和输出端电动门7，整个滚筒输送线启动，将输送底托14送出检测暗室11；

007、工作站9接收数据，进行数字图像处理和分析后，得到单株盆栽水稻温度参数，包括平均温度和温度分布；

008、执行下一株盆栽水稻数据记录工作，重复步骤002-008。

本发明利用黑体和红外相机成像的方法，用数字图像处理技术处理拍摄到的红外图像，并用黑体实时校正，得到单株盆栽水稻温度参数。该方法无需直接接触水稻，且可避免一般热像仪长时间使用后的温度漂移，将拍摄、计算和校正集成到一个系统中，具有安全无损、测量结果准确可靠、操作简单等优点。

附图说明

图1为本发明俯视结构示意图；

图2为本发明侧视结构示意图；

图3为远红外相机内部探测器温度随时间变化情况；

图4为温度漂移与远红外相机内部探测器关系；

图5为以湖北省计量测试技术研究院标准黑体为参照本发明所用黑体的实际温度与计算温度；

图6为本发明中使用生物材料的测量结果。

具体实施方式

下面结合附图及实施例进一步说明本发明。

实施例：本发明所述的单株盆栽水稻温度参数自动测量装置，包括检测区滚筒输送线15、两侧分别设有输入端电动门3和输出端电动门7的检测暗室11、用于控制输入端电动门3和输出端电动门7开关的检测区对射式光电开关4、用于拍摄盆栽水稻的红外相机5、用于校正红外相机5探测温度的黑体6、电动升降台12、安装在电动升降台12上的电动旋转台13以及位于电动旋转台13上的输送底托14，所述检测区滚筒输送线15上设有用于安装电动升降台12的安装缺口15a,安装缺口15a是在检测区滚筒输送线15上拆掉几根滚筒来实现的，所述输送底托14的底面面积大于电动旋转台13和安装缺口15a的面积，所述的输送底托14底面为圆形，输送底托14被输送至电动旋转台13正上方上时，输送底托14的部分边缘与滚筒输送线15接触，这样设计方便传送，当检测完后，利用输送底托14的部分边缘与滚筒输送线15的摩擦力将输送底托14送出检测暗室11。所述检测区滚筒输送线15、输入端电动门3、输出端电动门7、检测区对射式光电开关4、红外相机5、黑体6、电动升降台12和电动旋转台13均位于检测暗室11内，其中，红外相机5和黑体6位置固定，所述电动升降台12位于检测区滚筒输送线15的正中央。电动旋转台13固定在电动升降台12上，可随电动升降台12上下移动。该装置还包括输入端滚筒输送线1、输出端滚筒输送线10以及用于控制输入端电动门3的输入端接近开关2，所述输入端滚筒输送线1和输出端滚筒输送线10分别连接在检测区滚筒输送线15两端，所述输入端接近开关2位于输入端滚筒输送线1一侧，所述检测区对射式光电开关4位于检测区滚筒输送线15一侧，所述电动旋转台13初始位置与检测区域滚筒输送线15同高度，所述红外相机5和黑体6分别位于检测区滚筒输送线15两侧。所述输入端滚筒输送线1、输出端滚筒输送线10和检测区滚筒输送线15均为传输皮带。如图1和图2所示。

使用时，可以加入可编程控制器PLC8与工作站9，其中，输入端滚筒输送线1、输入端接近开关2、输入端电动门3、检测区对射式光电开关4、黑体6、输出端电动门7、输出端滚筒输送线10、电动升降台12、电动旋转台13和检测区滚筒输送线15均可与可编程控制器PLC8相连，可编程控制器PLC8与工作站9相连，红外相机5通过网线与工作站9相连，输送底托14用于固定盆栽水稻使其在输入端滚筒输送线1、检测区滚筒输送线15和输出端滚筒输送线10上平稳运行，黑体6用于校正红外相机5的检测温度，检测暗室11用于减少外界杂散光干扰，保证稳定的成像环境。红外相机5的厂家为中国大恒有限公司北京图像视觉技术分公司。黑体6的型号为JQ-70MFD1C，厂家为武汉凯尔文光电技术有限公司。

单株盆栽水稻温度参数自动测量方法，包括以下几个步骤：001、打开工作站和可编程控制器PLC，将黑体温度设置为30℃；002、关闭输入端电动门3和输出端电动门7，用红外相机5拍摄一张检测暗室11内的背景图像；003、将盛有盆栽水稻的输送底托14放到输入端滚筒输送线1上，启动整个滚筒输送线，当输入端接近开关2检测到输送底托14时，输入端电动门3打开；004、输送底托14通过输入端电动门3进入检测暗室11，经检测区滚筒输送线15输送至电动旋转台13位置时，检测区对射式光电开关4检测到输送底托14，输入端电动门3和输出端电动门7关闭，整个滚筒输送线停止。此时，输送底托14与电动旋转台13中心重合；005、电动升降台12将电动旋转台13和输送底托14顶升至上位，电动旋转台13带动输送底托14旋转，同时，用红外相机5每隔15°拍一张盆栽水稻的照片，得到24张盆栽水稻的侧视红外图像，在拍摄的同时，记录红外相机5的探测温度；006、拍摄完之后，电动旋转台13停止旋转，电动升降台12下降，打开输入端电动门3和输出端电动门7，整个滚筒输送线启动，将输送底托14送出检测暗室11；007、工作站9接收数据，进行数字图像处理和分析后，得到单株盆栽水稻温度参数，包括平均温度和温度分布；008、执行下一株盆栽水稻数据记录工作，重复步骤002-008。

其中，步骤007数字图像处理和分析包括以下几个步骤：071、对于每个角度下的侧视红外图像，为了增加水稻部分与背景部分的差异，用侧视红外图像减背景图；072、采用OTSU法将去除背景的图像阈值二值化；073、计算072中二值化后图像两部分的面积，取面积小的部分为水稻植株部分；074、将步骤073中得到的水稻植株部分对应到071所述的侧视红外图像中，得到原始水稻植株部分灰度分布；075、根据黑体6的固定实际位置取图像中侧视红外图像中黑体6的像素区域，由于某些水稻植株过大，会造成黑体6部分遮挡，该像素区域并不是全部为黑体6的实际像素区域，需要找出黑体6实际像素分布，将此固定的像素区域部分进行OTSU分割，分割后的两个部分分别按照灰度-温度公式计算平均温度，取平均温度与30℃接近的一部分为实际可用黑体6的部分，这一部分的平均温度减30℃为温度漂移；076、将步骤074中得到的水稻植株部分的每一像素通过灰度-温度公式计算温度，全部计算完毕后取平均值，加上步骤075中的温度漂移即可得到实际温度；077、对其他23个角度角度下的侧视红外图像重复步骤071-076；078、计算步骤077中所有温度的平均值和整株温度分布图。

OTSU全称为最大类间方差法，是由日本学者大津于1979年提出的，是一种自适应的阈值确定的方法，又叫大津法。它是按图像的灰度特性，将图像分成背景和目标两部分。背景和目标之间的类间方差越大，说明构成图像的两部分的差别越大，当部分目标错分为背景或部分背景错分为目标都会导致两部分部分差别变小。因此，使类间方差最大的分割意味着错分概率最小。

对于图像I(x,y)，前景(即目标)和背景的分割阈值记作T，属于前景的像素点数占整幅图像的比例记为ω₀，其平均灰度μ₀；背景像素点数占整幅图像的比例为ω₁，其平均灰度为μ₁。图像的总平均灰度记为μ，类间方差记为g。

假设图像的背景较暗，并且图像的大小为M×N，图像中像素的灰度值小于阈值T的像素个数记作N₀，像素灰度大于阈值T的像素个数记作N₁，则有：

ω₀＝N₀/M×N(761)

ω₁＝N₁/M×N(762)

N₀+N₁＝M×N(763)

ω₀+ω₁＝1(764)

μ＝ω₀×μ₀+ω₁×μ₁(765)

g＝ω₀×(μ₀-μ)²+ω₁×(μ₁-μ)²(766)

将式(765)代入式(766)，得到等价公式：

g＝ω₀×ω₁×(μ₀-μ₁)²(767)

采用遍历的方法得到使类间方差g最大的阈值T，即为所求阈值。经实验结果证明，使用OTSU进行分割的效果较好。

本发明由预设的电脑程序控制，采用滚筒输送线输送单株盆栽水稻，采用可编程控制器PLC控制滚筒输送线，由工站控制红外相机拍摄侧视红外图像，最后由工作站将所得图像进行处理，得到单株盆栽水稻的温度参数。

整个过程中滚筒输送线系统、黑体和红外相机都为连续工作。

实例：

实验标准材料：湖北省计量测试技术研究院标准黑体。

将标准黑体和本发明所用黑体同时置于红外相机视野中，并在关灯情况下拍摄红外图像，最后以标准黑体温度作为校正源来计算本发明所用黑体温度。可以看出，相机内部的探测器温度随着使用时间会不断的升高，如图3所示，而温度漂移则在每度之间呈上升趋势(图4)，在20-30℃范围内，本发明所用黑体的计算温度与实际设置温度误差非常小(图5)。此实验的目的在于说明：(1)本发明所用的黑体正常；(2)本发明所用灰度-温度转换关系正确。

实验生物材料：40盆分蘖盛期水稻。8月24号所有水稻均为正常生长水稻，从8月25号开始前20盆不浇水，后20盆正常浇水，连续8天，每天测量水稻植株部分温度，整个实验期间结果如图6所示，可以看出，正常和胁迫水稻部分的平均温度有显著差异，同时这一差异也体现在一天中的上午和下午。上午光合作用正常，水稻温度较低，下午外界环境温度升高，蒸腾作用变强，水稻失水情况严重，故水稻部分温度会升高。

Claims (4)

1.一种单株盆栽水稻温度参数自动测量装置，包括检测区滚筒输送线(15)、两侧分别设有输入端电动门(3)和输出端电动门(7)的检测暗室(11)、用于控制输入端电动门(3)和输出端电动门(7)开关的检测区对射式光电开关(4)、用于拍摄盆栽水稻的红外相机(5)、用于校正红外相机(5)探测温度的黑体(6)、电动升降台(12)、安装在电动升降台(12)上的电动旋转台(13)以及位于电动旋转台(13)上的输送底托(14)，所述检测区滚筒输送线(15)、输入端电动门(3)、输出端电动门(7)、检测区对射式光电开关(4)、红外相机(5)、黑体(6)、电动升降台(12)、电动旋转台(13)和输送底托(14)均位于检测暗室(11)内，其特征在于还包括输入端滚筒输送线(1)、输出端滚筒输送线(10)以及用于控制输入端电动门(3)的输入端接近开关(2)，所述输入端滚筒输送线(1)和输出端滚筒输送线(10)分别连接在检测区滚筒输送线(15)两端，所述检测区滚筒输送线(15)上设有用于安装电动升降台(12)的安装缺口(15a),所述输送底托(14)的底面面积大于电动旋转台(13)和安装缺口(15a)的面积，所述输入端接近开关(2)位于输入端滚筒输送线(1)一侧，所述检测区对射式光电开关(4)位于检测区滚筒输送线(15)一侧，所述红外相机(5)和黑体(6)分别位于检测区滚筒输送线(15)两侧。

2.根据权利要求1所述的单株盆栽水稻温度参数自动测量装置，其特征在于所述电动升降台(12)位于检测区滚筒输送线(15)的正中央。

3.根据权利要求1或2所述的单株盆栽水稻温度参数自动测量装置，其测量方法包括以下步骤：

001、将黑体温度设置为30℃；

002、关闭输入端电动门和输出端电动门，用红外相机拍摄一张检测暗室内的背景图像；

003、将盛有盆栽水稻的输送底托放到输入端滚筒输送线上，启动整个滚筒输送线，当输入端接近开关检测到输送底托时，输入端电动门打开；

004、输送底托通过输入端电动门进入检测暗室，经检测区滚筒输送线输送至电动旋转台位置时，检测区对射式光电开关检测到输送底托，输入端电动门和输出端电动门关闭，整个滚筒输送线停止，此时输送底托与电动旋转台中心重合；

005、电动升降台将电动旋转台和输送底托顶升至上位，电动旋转台带动输送底托旋转，同时，用红外相机每隔15°拍一张盆栽水稻的照片，得到24张盆栽水稻的侧视红外图像，在拍摄的同时，记录红外相机的探测温度；

006、拍摄完之后，电动旋转台停止旋转，电动升降台下降，打开输入端电动门和输出端电动门，整个滚筒输送线启动，将输送底托送出检测暗室；

007、工作站接收数据，进行数字图像处理和分析后，得到单株盆栽水稻温度参数，包括平均温度和温度分布；

008、执行下一株盆栽水稻数据记录工作，重复步骤002-008。

4.根据权利要求3所述的单株盆栽水稻温度参数自动测量方法.其特征在于步骤007中所述数字图像处理和分析包括以下步骤：

071、对于每个角度下的侧视红外图像，用侧视红外图像减背景图；

072、采用OTSU法将去除背景的图像阈值二值化；

073、计算步骤072中二值化后图像两部分的面积，取面积小的部分为水稻植株部分；

074、将步骤073中得到的水稻植株部分对应到071所述的侧视红外图像中，得到原始水稻植株部分灰度分布；

075、根据黑体的固定实际位置取图像中侧视红外图像中黑体的像素区域，将此固定的像素区域部分进行OTSU分割，分割后的两个部分分别按照灰度-温度公式计算平均温度，取平均温度与30℃接近的一部分为实际可用黑体的部分，这一部分的平均温度减30℃为温度漂移；

076、将步骤074中得到的水稻植株部分的每一像素通过灰度-温度公式计算温度，全部计算完毕后取平均值，加上步骤075中的温度漂移即可得到实际温度；

077、对其他23个角度角度下的侧视红外图像重复步骤071-076；

078、计算步骤077中所有温度的平均值和整株温度分布图。