CN107462561B - 烟叶病斑性状荧光动态自动检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种烟叶病斑性状荧光动态检测装置及方法，烟叶病斑性状荧光动态检测装置具体包括计算机系统、荧光成像单元、载物旋转台单元、生长光源、成像暗室；计算机系统包含烟叶病斑荧光图像采集软件以及数据分析软件，用于获取烟叶病斑荧光图像以及对烟叶病斑性状数据进行分析提取；荧光成像单元具体包括数码相机和荧光光源，用于荧光图像采集；载物旋转台单元具体包括旋转烟叶生长托盘、旋转平台，生长托盘主要用于放置烟叶并为烟叶正常生长提供一个稳定的状态，旋转平台可按设定角度自动旋转；生长光源主要为烟叶正常生长提供光源；成像暗室为烟叶荧光成像提供一个稳定无干扰的成像环境；在烟叶病斑性状研究中采用本发明，很大程度上提高了烟叶病斑性状的检测效率。

Description

烟叶病斑性状荧光动态自动检测装置及方法

技术领域

本发明涉及一种适用于农业科研人员在烟叶病害勘测领域中自动提取并分析烟叶的颜色、纹理、粗糙度、荧光强度的无损检测装置和方法，具体特指一种高通量的荧光检测系统获取烟叶的荧光图像，并利用图像处理手段获取烟叶病斑信息的一种无损测量装置和方法。

背景技术

烟叶在生长发育的过程中经常会受到各种不利因素的影响而发生病害，这极大地降低了产量和农业工作者的收益。盲目地施用农药不仅无法有效地防治烟叶病害，还会造成资源浪费、环境污染等问题。因此，病害检测是有效控制烟叶病害的关键步骤，也是保证烟叶高质高产的重要措施，而叶片病斑是判断病害发生程度的主要依据。目前，对烟叶病害产生过程和严重程度的测定与分析工作主要靠人工测量完成。人工测量方法工作量大，效率低下，研究周期长，测量精度依赖于主观，往往无法掌握病斑的分布情况。

因此，结合计算机视觉技术与荧光成像技术，构建一套高通量的烟叶病斑荧光检测装置。在不阻碍烟叶正常生长的情况下，利用图像处理与分析手段，周期性地从其荧光图像中提取颜色、纹理、粗糙度、荧光强度等具体信息，对发病烟叶在各个不同生长时期的病斑进行形态智能化的检测，客观地评判叶片的病害程度，为农业工作者实现对烟叶因病诊治与分类管理提供指导和技术支撑。

发明内容

鉴于现有烟叶病斑信息获取手段的不足，本发明旨在提供一种烟叶病斑检测装置，实现在密闭暗室环境中利用计算机模拟人眼的视觉功能对烟叶的病斑进行周期性地监测与分析工作。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种高通量的烟叶病斑荧光检测装置，该装置主要由荧光灯、生长光源、载物旋转系统、相机、成像暗室以及计算机系统7个功能模块组成。

(1)荧光灯：用于提供较低波长的可见光。它主要由氩氖气体、水银蒸气、磷质荧光漆和钨制灯丝组成。通电后，电流通过灯丝加热并释放电子，电子将氩氖气体变成等离子并加大管内电流，当灯丝间的电压超过一定值后灯管开始放电，使水银蒸气发出紫外线，磷质荧光漆会吸收紫外线并释放出荧光。

(2)生长光源：用于提供烟叶正常生长发育所需的能量。在成像暗室内部的四周和顶部分别有规律地布置4个生长光源，在非检测时段开启生长光源给烟叶提供维持其生命所需的光能。

(3)载物旋转系统：用于承载所需检测的烟叶样品并接收指令实现旋转功能。它主要由伺服电机、联轴器、旋转台和旋转圆盘组成。旋转圆盘圆周上等角度地布置18个可调高度式载物台用于放置待检烟叶。

(4)数码相机：用于对旋转至荧光灯区域中心下的载物台上的烟叶进行成像。相机通过型材和螺栓固定，通过调节相机位于竖直型材上的位置以达到相机调焦的目的。与常规工业相机相比，使用数码相机不仅可以降低成本，而且能获得分辨率更高的图像。

(5)成像暗室：为烟叶病斑荧光成像检测提供一个封闭的暗室环境。成像暗室由型材支架和铝合金板组成，在暗室的内壁通过铆钉安装一层黑色喷漆薄板。

(6)计算机系统：分别连接相机和PLC控制单元，计算机系统向PLC控制单元发送控制指令驱动伺服电机带动旋转圆盘进行旋转，并接收相机传输来的烟叶荧光图像进行处理和分析，显示并存储烟叶病斑的信息。

(7)自主控制采集及分析软件：自主编程控制荧光灯、生长光源、载物旋转系统、数码相机、计算机系统，按照设定参数长时间无损观测烟叶病斑发展情况。

综上所述，本发明所述的高通量烟叶病斑荧光检测装置及方法的技术特点包括：

(1)便捷、全自动

只需将待测烟叶置于可调高度式载物台，然后在计算机上的Labview烟叶病斑检测程序窗口点击运行按钮，即可开启荧光灯、相机和载物旋转系统，相机实时记录旋转至荧光灯区域中心下的烟叶的荧光图像信息，并传输至计算机系统进行处理和分析，判断烟叶的病斑情况。

(2)高通量、高效率

由于旋转圆盘圆周上布置了18个可调高度式载物台，故一次性可荧光成像测量的烟叶数量为18，这避免了传统人工多次测量的繁琐，极大地提高了检测效率，满足一天内需测量成百上千株烟叶病斑的大批量实验需求。

(3)人性化、高精度

该装置在使用过程中保持荧光灯和相机静止不动，载物旋转系统承载着烟叶陆续进出荧光检测区域，可根据个人或实验需要调整PLC程序指令中的数值从而改变旋转圆盘旋转的方向或精确调整圆盘运行的速率、步进角度和位移。

(4)通用性强、低成本

该装置基于荧光成像技术采集烟叶样品的荧光图像，再通过图像处理和分析手段获取烟叶的颜色、纹理、粗糙度、荧光强度等具体信息。所用数码相机价格远远低于相同分辨率的工业相机，并且经过自主研发软件自主控制采集。其自主编写软件兼容性好，两种模式可供选择，易于与现有的植物表型提取技术(可见光、近红外、高光谱成像等)相集成，对算法参数稍作调整后可方便地应用于其他农作物的病害勘测。

附图说明

图1是烟叶病斑荧光检测装置的主要结构图。

图2是烟叶病斑荧光检测装置主要结构的右视图。

图3是烟叶病斑荧光检测装置在实际搭建过程中的组装示意图。

图4是烟叶荧光检测装置图像采集及分析软件。

图中，1计算机系统、2相机、3荧光灯、4固定螺栓、5可调高度式载物台、6旋转圆盘、7底部支撑架、8伺服电机、9联轴器、10旋转台、11 型材、12暗室用板、13生长光源

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

在图1和图2中，一次性将18份待测烟叶分别置于18个可调高度式载物台5，在计算机的串口通信助手里发送指令关闭生长光源13，在Labview烟叶病斑检测程序窗口点击运行按钮，开启荧光灯3、相机2和伺服电机8，伺服电机8按照PLC程序中所设定的方向和速率开始转动，通过联轴器9将动力和转矩传递至旋转台10，旋转台10开始自转。固定螺栓4将旋转圆盘6紧紧固定于旋转台10的上表面，故旋转圆盘6和旋转台10作同步转动。旋转圆盘6开始周转带动位于其表面圆周上的可调高度式载物台5作圆周运动。相机2位于荧光灯3区域中央的正上方，每个可调高度式载物台5上的烟叶旋转至荧光灯3 区域中央的正下方，即相机2镜头的正下方时，相机2即采集该烟叶样品的荧光图像，并将图像数据即时传递给计算机系统1，通过算法处理和分析手段，获取烟叶的颜色、纹理、粗糙度、荧光强度等具体信息，判定烟叶病斑的情况。当烟叶病斑检测实验完毕后，在Labview烟叶病斑检测程序窗口点击停止按钮，关闭荧光灯3和相机2，旋转圆盘6也停止运转。

图3中，在非检测时段，在计算机的串口通信助手里发送相应指令开启生长光源13，给烟叶的生长提供光能，保证烟叶在非检测时段的正常发育。

图4中，参数计算：荧光图像采集结束后，选择运行模式，点击运行即可得到该文件夹内所有图像的参数，参数自动保存至txt文件。

Claims (4)

1.一种烟叶病斑性状荧光动态检测装置，其特征在于：所述的烟叶病斑性状荧光动态检测装置具体包括计算机系统(1)、数码相机(2)、荧光光源(3)、载物托盘固定螺栓(4)、高度可调载物托盘(5)、旋转平台(6)、生长光源(13)；所述的计算机系统(1)具体包括烟叶荧光图像采集软件和数据分析软件，计算机系统(1)分别连接相机和PLC控制单元，向PLC控制单元发送控制指令驱动伺服电机带动旋转圆盘进行旋转，并接收相机传输来的烟叶荧光图像进行处理和分析，显示并存储烟叶病斑的信息；所述的旋转平台(6)每转动一个角度都能使高度可调载物托盘(5)位于数码相机(2)以及荧光光源(3)的正下方；所述的荧光光源(3)用于提供较低波长的可见光，在烟叶正常生长状态下自动关闭，进行荧光成像时自动开启；所述的生长光源(13)用于提供烟叶生长发育所需的能量，有规律地布置在成像暗室内部的四周和顶部，在给定烟叶生长周期时间内是自动打开，其中如需进行荧光成像则会自动关闭，成像结束后再自动打开；所述的生长光源(13)在给定烟叶生长周期时间外一直保持关闭状态；所述数码相机(2)由自主开发软件控制采图，用于对旋转至荧光灯区域中心下的载物台上的烟叶进行成像；结合自动化控制和软件分析，系统整体可自动对单片叶病斑动态生长状况进行长时间无损动态观测，及单片叶病斑相关性状进行无损检测和提取。

2.根据权利要求1所述的烟叶病斑性状荧光动态检测装置，其特征在于：计算机系统(1)包含的烟叶荧光图像采集软件；在烟叶生长初期，设定好烟叶病斑图像间隔采集时间，便无需人工干预，自动对烟叶荧光图像进行持续采集。

3.一种烟叶病斑性状荧光动态检测方法，其采用如权利要求1-2任意一项所述的烟叶病斑性状荧光动态检测装置来进行检测，其特征在于：步骤一，旋转平台(6)上放置18盆烟叶盆栽作物；步骤二，荧光图像采集软件中设置好图像采集间隔时间、生长光源打开关闭时间、数码相机光圈以及曝光时间和图像保存路径；步骤三，启动图像采集软件，此时会根据图像保存路径和前缀在制定位置生成一个文件夹，文件夹内包含18个子文件夹，分别保存18个角度下的图像；步骤四：开始采集荧光图像，生长光源(13)自动关闭，荧光光源(3)自动开启，图像采集软件自动控制数码相机(2)进行图像采集工作，直到旋转平台旋转使得18盆烟叶荧光图像全部采集完成；步骤五，烟叶荧光图像采集完成后，系统自动判断当前时间，如在生长周期之内则打开生长光源(13)，如在生长周期之外，则关闭生长光源(13)；直到进入下一个采集周期；依次循环步骤四和步骤五实现烟叶病斑图像的自动采集。

4.根据权利要求3所述的烟叶病斑性状荧光动态检测方法，其特征在于：其用于实现监测期内烟叶面积及生长速率、病斑总面积及面积变化速率、病斑个数及个数变化速率、病斑荧光平均亮度及变化速率、单个病斑出现时间以及随时间面积及亮度的变化速率；此处所述变化速率为系列参数的一阶导数；由于采用紫外灯激发，此处病斑亮度为采集图像的G分量而非亮度分量；软件输入均为包含18个子文件夹的总文件夹路径，开始运行后有两种模式可以选择：默认为全自动模式，可实现视野内所有病斑参数的自动提取；交互式，如需要特殊分析某一块病斑发展情况，只需手动选取用户感兴趣区域ROI，软件即可根据该区域ROI计算整个检测时期内以上所有性状参数。

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