CN108540698A - 一种多场景应用的光谱获取终端及其操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多场景应用的光谱获取终端，包括壳体、镜头、滤光片、CMOS传感器、CMOS采集和驱动单元、主控板以及传感器主板，镜头通过滤光片与CMOS传感器连接，CMOS传感器与CMOS采集和驱动单元连接，CMOS采集和驱动单元、主控板以及传感器主板通过电信号连接。本发明还公开了一种上述终端的操作方法，包括判断应用场景、设置拍摄参数、拍摄获取目标的光谱数据以及实时分析数据。本发明在满足近程光谱获取功能的基础上，可针对远程光谱获取需求，方便快捷地进行切换；同时将近程获取时的在线指数图像动态预览功能所涉及的在线指数计算和视频流传输技术，直接应用到远程获取场景，从而得到一种全新的体验模式，实现了一机多用。

Description

一种多场景应用的光谱获取终端及其操作方法

技术领域

本发明涉及光谱成像技术领域，特别涉及一种多场景应用的光谱获取终端及其操作方法。

背景技术

光谱成像技术在农业、环境、地质、生态等行业领域应用广泛，光谱成像根据光谱通道数和波段数分为多光谱成像、高光谱成像和超光谱成像。本发明涉及的光谱获取终端，属于多光谱成像范畴。

目前市场上存在的光谱获取终端，如美国Micasense公司的Rededge型5波段多光谱相机、Sequoia型4波段多光谱相机等，国内的如西北农林科技大学、同济大学等高校设计研制的窄带多光谱阵列成像装置等，普遍存在以下技术缺陷：

(1)应用场景比较单一，其功能模式主要针对农业无人机载航拍远程获取，数据通常直接存入相应存储介质，到地面后利用PC端专用软件进行处理分析和显示；当应用于某些光谱近程获取场景(如植物表型冠层分析)时，不能及时直观显示，无法将采集的数据在线显示分析，对数据有效性的判断缺乏指导，造成后续实验室处理效率降低。

(2)现有的光谱获取终端用于近程光谱获取时，无法显示预览分析，需要通过上位机操作预览，还需将存储介质内的数据拷入上位机才能完成分析，使用操作繁琐，不能实现可视化的在线分析功能。

(3)为了满足户外光谱近程获取显示分析，通过现有光谱获取终端改造使用，所需外围设备较为复杂，又导致便携性和交互性较差；并且缺乏户外手持应用的考虑，缺少符合人体工程学的握持特点。

综上所述，现有光谱获取终端对场景的适用性不强，在一定程度上也限制了该类产品的普及和推广。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明公开了一种多场景应用的光谱获取终端，其主体结构包括：壳体、镜头、滤光片、CMOS传感器、CMOS采集和驱动单元、主控板以及传感器主板，所述镜头设置在壳体外部，并通过滤光片与CMOS传感器连接，所述CMOS传感器与CMOS采集和驱动单元连接，所述CMOS采集和驱动单元、主控板以及传感器主板均设置在壳体内，并通过电信号相互连接。

作为上述技术方案的进一步改进，所述传感器主板包括用于供电的电源接口、用于传输数据的网络接口、用于采集温度和湿度数据的温湿度采集模块以及用于连接外部设备的扩展接口。

作为上述技术方案的进一步改进，所述主控板包括用于将图像数据转换成实时指数视频的在线处理模块、用于设置拍摄参数的参数设置模块、用于处理图像数据的IPU模块、用于传输视频数据的视频流传输模块以及用于存储数据的数据存储模块。

作为上述技术方案的进一步改进，所述CMOS采集和驱动单元包括用于采集图像数据的RAW图像数据采集模块以及用于转换图像数据格式的图像数据格式变换模块。

作为上述技术方案的进一步改进，所述壳体背部设有与传感器主板连接的电池和手机。

作为上述技术方案的进一步改进，所述壳体包括可折叠的上壳体以及下壳体，所述CMOS采集和驱动单元设置在上壳体内，所述主控板和传感器主板设置在下壳体内，所述CMOS采集和驱动单元与传感器主板通过柔性线缆连接。

作为上述技术方案的进一步改进，所述传感器主板还包括用于检测飞行器姿态信息的IMU模块。

本发明还公开了一种多场景应用的光谱获取终端的操作方法，包括以下流程：

a、使用前先人工判断该光谱获取终端的应用场景是近程获取场景还是远程获取场景；

b、若应用于光谱近程获取场景时，该光谱获取终端的壳体为展开状态，此时在壳体背部安装上电池和手机，并通过手机直接设置拍摄参数；

c、若应用于光谱远程获取场景时，该光谱获取终端的壳体为折叠状态，此时拆除电池和手机，并远程间接设置拍摄参数；

d、通过镜头拍摄获取目标的光谱数据，并将光谱数据存储在数据存储模块中，以便后续深度分析；

e、通过在线处理模块计算相关光谱指数，并形成相关指数视频流；

f、若应用场景为光谱近程获取场景，可直接将光谱数据以图像动态预览的方式显示在手机屏幕上，实现光谱数据的现场实时分析；

g、若应用场景为光谱远程获取场景，通过飞行器的图像传输单元将数据传回地面进行实时分析。

本发明的有益效果是：

本发明的多场景应用的光谱获取终端，是采用模块化思想设计的一种可拆除安装、翻转折叠的硬件结构，在满足近程光谱获取功能的基础上，可针对远程光谱获取需求，方便快捷地进行切换；同时，将近程获取时的在线指数图像动态预览功能所涉及的在线指数计算和视频流传输技术，直接应用到远程获取场景，从而得到一种全新的体验模式，实现了一机多用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明其中一实施例的正面结构示意图；

图2为本发明其中一实施例的侧面结构示意图；

图3为本发明的控制原理示意图；

图4为本发明另一实施例的正面结构示意图；

图5为本发明另一实施例的侧面结构示意图；

图6为本发明的操作流程示意图。

附图标记：

10-壳体；11-上壳体；12-下壳体；20-镜头；30-滤光片；40-CMOS传感器；50-CMOS采集和驱动单元；51-RAW图像数据采集模块；52-图像数据格式变换模块；60-主控板；61-在线处理模块；62-参数设置模块；63-IPU模块；64-视频流传输模块；65-数据存储模块；70-传感器主板；71-电源接口；72-网络接口；73-温湿度采集模块；74-扩展接口；75-IMU模块；80-电源线；90-SMT连接器；100-电池；110-手机；120-柔性线缆。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

实施例一：

如图1-2所示，本实施例的多场景应用的光谱获取终端，其主体结构包括：壳体10、镜头20、滤光片30、CMOS传感器40、CMOS采集和驱动单元50、主控板60以及传感器主板70。

镜头20设置在壳体10外部，并通过滤光片30与CMOS传感器40连接，CMOS传感器40与CMOS采集和驱动单元50连接；CMOS采集和驱动单元50、主控板60以及传感器主板70均设置在壳体10内，CMOS采集和驱动单元50与传感器主板70通过电源线80连接，主控板60与传感器主板70通过SMT连接器90连接，CMOS采集和驱动单元50与主控板60通过通信总线连接。

其中，镜头20的数量可根据终端设备尺寸以及具体应用场景进行定制；滤光片30优选带通滤光片，其透光率高、光信号衰减率小，并且受强光的干扰小，能够有效提升工作距离和光强度。

壳体10背部设有电池100以及手机110；其中，电池通过磁吸触点的方式与传感器主板70连接，手机通过WiFi与传感器主板70连接。

展开状态下的终端设备整体厚度小，外形及尺寸与手机匹配，便于近程应用场景(如植物表型冠层分析)的手持拍摄，并且通过手机可进行指数计算结果的动态预览，有利于对光谱数据做出实时判断与分析，优化了光谱数据的采集过程，解决了目前光谱数据获取过程中不便于现场实时分析的问题。

如图3所示，CMOS采集和驱动单元50优选基于FPGA的CMOS采集和驱动单元，FPGA技术具有运行速度快、可扩展以及便于二次开发的优点。CMOS采集和驱动单元50包括用于采集图像数据的RAW图像数据采集模块51以及用于转换图像数据格式的图像数据格式变换模块52。

镜头20捕捉的原始光源信号经CMOS传感器40转换为数字信号，并通过RAW图像数据采集模块51传输给图像数据格式变换模块52，图像数据格式变换模块52将原始的RAW图像格式转换为主控板60便于处理的格式。

主控板60优选基于Cortex A9处理器的ARM主板，主控板60包括用于将图像数据转换成实时指数视频的在线处理模块61、用于设置拍摄参数的参数设置模块62、用于处理图像数据的IPU模块63、用于传输视频数据的视频流传输模块64以及用于存储数据的数据存储模块65。

在线处理模块61可在线实时分析处理光谱成像的相关指数，例如：NDVI-植被覆盖指数、SAVI-土壤调节植被指数、PVI-垂直植被指数等，并形成相关指数视频流，进而通过视频流传输模块64传输给手机或远端分析系统，进行实时分析与处理。

通过参数设置模块62可设置拍摄模式、图像的量化位数、积分时间、选择的通道数等参数；IPU模块63是一种图像处理单元，类似于计算机的GPU芯片，用于处理拍摄的图像数据；数据存储模块65可以是NAND闪存或SD卡，用于存储上述图像数据。

传感器主板70包括用于供电的电源接口71、用于传输数据的网络接口72、用于采集温度和湿度数据的温湿度采集模块73以及用于连接外部设备的扩展接口74。

电源接口71可连接电池或其他外部电源，以便为终端设备供电；网络接口72可通过WiFi、以太网等形式与外部进行数据通信；温湿度采集模块73用于采集当地的温度和湿度等环境数据，并以环境信息戳的形式存储至图像数据中；扩展接口74优选RS232扩展接口，可连接GNSS定位模块，支持GPS、北斗卫星导航系统的数据传输，并将接收到的数据以坐标信息戳的形式存储至图像数据中。

实施例二：

如图4-5所示，本实施例中，多场景应用的光谱获取终端的壳体包括可折叠的上壳体11以及下壳体12，CMOS采集和驱动单元50设置在上壳体11内，主控板60和传感器主板70设置在下壳体12内，CMOS采集和驱动单元50与传感器主板70通过柔性线缆120连接。

下壳体12可折叠到上壳体11的背部，从而实现应用场景的切换，折叠后的终端设备可安装到无人机等飞行器上进行航拍，扩大了光谱获取终端的应用范围；并且折叠后的光谱获取终端小巧轻便，改善了传统的光谱设备便携性差的问题，提高了无人机航拍等远程应用场景的光谱获取效率，具有较高的市场推广应用前景。

如图3所示，为了辅助后续图像数据的拼接，传感器主板70还包括IMU模块75，IMU模块75可采集飞行器的三轴加速度、三轴角速度、三轴角度、三轴地磁和气压数据等，并将采集到的数据以姿态信息戳形式存储至图像数据中。

实施例三：

如图6所示，本实施例公开了上述实施例中光谱获取终端的操作方法，具体包括以下流程：

a、使用前工作人员会判断具体的应用场景，是应用于近程获取场景还是远程获取场景，根据应用场景的不同，光谱获取终端的结构形式也会有所不同。

b、若应用于光谱近程获取场景时，可采取手持模式，此时光谱获取终端的壳体10为图1所示的展开状态，并在壳体10背部安装上电池和手机；手机通过WiFi与传感器主板70连接，然后通过手机可直接设置镜头20的拍摄参数。

c、通过镜头20拍摄获取目标的光谱数据，并将光谱数据存储在数据存储模块65中，以便后续深度分析。

d、通过在线处理模块61计算相关光谱指数，并形成实时的相关指数视频流；该相关指数视频流类似手机拍照过程中的动态预览，通过特有的波段进行实时计算而产生对应的指数视频，通过视频显示更加直观。

e、光谱数据以图像动态预览的方式显示在手机屏幕上，能够实现光谱数据的现场实时分析，免去了后续很多工作，方便快捷。

f、若应用于光谱远程获取场景时，该光谱获取终端的壳体10为图4所示的折叠状态，此时拆除电池和手机，将终端设备安装在无人机上，并通过地面服务器远程间接设置镜头20的拍摄参数；

g、通过无人机上的图像传输单元将拍摄数据传回地面进行实时分析。

本发明的多场景应用的光谱获取终端，壳体10展开后与手机、电池紧密结合，形成可手持操作的近程光谱获取模式，由电池为终端供电，手机用于显示控制，可在线实时处理相关指数(如NDVI、SAVI等)，形成相关指数视频流，并且能够在手机端实时动态预览，有利于对数据的判断，优化了数据采集过程，解决了现有仪器近程光谱获取的使用问题。

用于无人机载远程光谱获取应用时，壳体10可折叠成更为小巧轻便的机载传感器，由无人机供电，在线实时处理相关指数(如NDVI、SAVI等)，形成的相关指数视频流通过无人机的图像传输单元下行，解决了待飞行结束后返回地面再读取数据的效率低下的问题，实现了边飞行边获取，实时快速地指导后续作业，并且用户能够及时判断并修正任务实施过程中的航迹路线，进而提高了作业效率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当人认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种多场景应用的光谱获取终端，包括壳体、镜头、滤光片、CMOS传感器、CMOS采集和驱动单元、主控板以及传感器主板，其特征在于，所述镜头设置在壳体外部，并通过滤光片与CMOS传感器连接，所述CMOS传感器与CMOS采集和驱动单元连接，所述CMOS采集和驱动单元、主控板以及传感器主板均设置在壳体内，并通过电信号相互连接。

2.根据权利要求1所述的多场景应用的光谱获取终端，其特征在于，所述传感器主板包括用于供电的电源接口、用于传输数据的网络接口、用于采集温度和湿度数据的温湿度采集模块以及用于连接外部设备的扩展接口。

3.根据权利要求2所述的多场景应用的光谱获取终端，其特征在于，所述主控板包括用于将图像数据转换成实时指数视频的在线处理模块、用于设置拍摄参数的参数设置模块、用于处理图像数据的IPU模块、用于传输视频数据的视频流传输模块以及用于存储数据的数据存储模块。

4.根据权利要求3所述的多场景应用的光谱获取终端，其特征在于，所述CMOS采集和驱动单元包括用于采集图像数据的RAW图像数据采集模块以及用于转换图像数据格式的图像数据格式变换模块。

5.根据权利要求1-4所述的多场景应用的光谱获取终端，其特征在于，所述壳体背部设有与传感器主板连接的电池和手机。

6.根据权利要求5所述的多场景应用的光谱获取终端，其特征在于，所述壳体包括可折叠的上壳体以及下壳体，所述CMOS采集和驱动单元设置在上壳体内，所述主控板和传感器主板设置在下壳体内，所述CMOS采集和驱动单元与传感器主板通过柔性线缆连接。

7.根据权利要求6所述的多场景应用的光谱获取终端，其特征在于，所述传感器主板还包括用于检测飞行器姿态信息的IMU模块。

8.一种如权利要求7所述的多场景应用的光谱获取终端的操作方法，其特征在于，包括以下流程：

a、使用前先人工判断该光谱获取终端的应用场景是近程获取场景还是远程获取场景；

b、若应用于光谱近程获取场景时，该光谱获取终端的壳体为展开状态，此时在壳体背部安装上电池和手机，并通过手机直接设置拍摄参数；

c、若应用于光谱远程获取场景时，该光谱获取终端的壳体为折叠状态，此时拆除电池和手机，并远程间接设置拍摄参数；

d、通过镜头拍摄获取目标的光谱数据，并将光谱数据存储在数据存储模块中，以便后续深度分析；

e、通过在线处理模块计算相关光谱指数，并形成相关指数视频流；

f、若应用场景为光谱近程获取场景，可直接将光谱数据以图像动态预览的方式显示在手机屏幕上，实现光谱数据的现场实时分析；

g、若应用场景为光谱远程获取场景，通过飞行器的图像传输单元将数据传回地面进行实时分析。