CN109373977A - 用于植物表型获取的主动视觉平台及植物表型获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于植物表型获取的主动视觉平台及植物表型获取方法，其中视觉平台包括安装在支架上的深度相机，以及设置有与深度相机电连接的控制器、移动座的工作台，所述工作台上安装有驱动所述移动座朝向深度相机所在竖轴线移动的驱动装置，所述移动座上设有由第一步进电机驱动旋转的旋转台，所述第一步进电机和驱动装置均与控制器电连接。本发明通过机械装置与深度相机组成主动视觉平台，结构简单且成本较低；控制器基于单目相机获取的图像以及传感器精确检测反馈，实现整个主动视觉过程，具有较高的测量精度；通过主动视觉的方式减少人的参与度，节省了劳动力；升降装置与驱动装置的结合，保证了深度相机的测量视场范围。

Description

用于植物表型获取的主动视觉平台及植物表型获取方法

技术领域

本发明涉及测量技术领域，具体是指一种用于植物表型获取的主动视觉平台及植物表型获取方法。

背景技术

植物育种表型分析中，表型特征参数的获取一直是表型分析的重点，也是较好地实现植物田间管理的前提，传统的表型特征参数的测量方法大都依靠人工完成，耗时费力，而且人为因素影响大，测量结果的可靠性较低。对一些鲜嫩的植株幼苗或易于接触受损的植株，特征参数的测量复杂且困难。

目前，植物表型特征参数的获取主要是靠研究人员手工测量，费时耗力，且存在较大的偶然性，精确度较低。虽然也出现了针对所研究植物搭建的各类表型特征参数获取平台，如手持、人载、车载和大型室内外自动化平台等，但是其成本较高，并且测量精确度并未明显提高。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种用于植物表型获取的主动视觉平台及植物表型获取方法，基于单台深度相机与简单的机械装置实现主动视觉，测量精确度较高，成本较低，且该平台可在无需人为干预下完成整个测量过程。

本发明是通过如下技术方案实现的，提供一种用于植物表型获取的主动视觉平台，包括安装在支架上的深度相机，以及设置有与深度相机电连接的控制器、移动座的工作台，所述工作台上安装有驱动所述移动座朝向深度相机所在竖轴线移动的驱动装置，所述移动座上设有由第一步进电机驱动旋转的旋转台，所述第一步进电机和驱动装置均与控制器电连接。

本方案在使用时，将被测植物放于旋转台上，通过驱动装置驱动移动座移动，由深度相机获取植物图像，控制器对图像作出实时处理，并根据处理的图像控制驱动装置动作，使得植物位于恰当的位置，以得到合适的图像；通过第一步进电机带动旋转台依次转过一定角度，从而获取全表面的植物图像，以便得到精确的植物表型特征参数。

作为优化，所述控制器选取单片机，其功能模块包括以下各个部分：图像处理模块、移动座运动模块、旋转台转动模块、深度相机升降模块与深度相机偏转模块。

作为优化，所述旋转台通过竖轴与移动座转动连接，第一步进电机与旋转台固接，且第一步进电机的输出轴上固装有齿轮，所述竖轴上设有与所述齿轮啮合的齿圈。本优化方案通过第一步进电机带动齿轮转动，通过齿轮与齿圈的啮合实现旋转台的转动，结构简单，便于控制旋转台转过角度的精确性。

作为优化，所述移动座底部有与工作台的上凸滑轨滑接的两平行凹轨，顶部端的外圆面设有沿周向均匀分置的凹槽，所述旋转台上固定有朝向凹槽设置的光电传感器，所述光电传感器与控制器电连接。将光电传感器检测凹槽产生的信号反馈给控制器，对第一步进电机的转动角度进行校正，从而提高了旋转台的转动精度。

作为优化，所述工作台上开设有朝向深度相机所在竖轴线延伸的滑槽，所述移动座滑接于滑槽中，所述驱动装置包括安装在工作台上的驱动电机，所述驱动电机通过丝杠螺母机构与移动座连接。本优化方案通过设置滑槽，保证了移动座沿直线移动，避免植物移动时发生偏斜，驱动电机通过丝杠螺母机构带动移动座移动，保证了移动时的稳定性，方便对移动座位置进行调节。

作为优化，所述工作台上固设有远离深度相机一侧的背景板。通过设置背景板提高了捕获图像的清晰度，提高了图像质量。

作为优化，所述工作台上还固设有位于深度相机与背景板之间的标志柱。本优化方案通过设置标志柱，方便对植物初始位置进行确定，移动座与标志柱横向对齐时，被检测植物即位于初始位置。

作为优化，所述支架包括一固定设置的立柱，立柱的横截面为工字形，其顶部与底部的内侧分别安装有可转动圆杆，且顶部外壁固定安装有带动圆杆转动的第二步进电机，所述两圆杆之间安装有带动深度相机沿竖直方向移动的钢性绳，所述第二步进电机与控制器电连接。本优化方案通过钢性绳带动深度相机沿立柱上下移动，实现了相机高度的自动调节，立柱的横截面设置为工字形，避免了深度相机在上下移动时发生横向的转动。

作为优化，还包括相机活动装置，所述相机活动装置包括固定安装在钢性绳上的固定栓和齿轮杆，所述固定栓在远离钢性绳一端有齿圈孔，且与齿轮杆啮合，所述深度相机通过圆孔部件固定在齿轮杆上，所述齿轮杆一端安装有带动其转动的第三步进电机，所述第三步进电机与控制器电连接。本优化方案通过设置相机活动装置方便了深度相机的安装，通过圆孔部件固定在齿轮杆上，通过第三步进电机带动齿轮杆转动，进而可以实现深度相机的上下偏转，齿轮杆与固定栓啮合，保证深度相机自然状态下不发生相对转动。

一种植物表型获取方法，包括侧面图像获取和冠层图像获取，侧面图像获取包括如下步骤：

（1）对深度相机进行标定，得到深度相机的焦距、偏移和轴偏斜参数，以便获取可靠的深度相机的工作过程；

（2）将被检测植物放于旋转台上，旋转台与标志柱横向对齐，即被检测植物处于初始位置，通过深度相机采集植物图像，并通过图像处理技术对获取的植物图像进行处理，处理器根据图像处理结果结合侧面图像采集规则将植物移动到相机视场范围的中心，侧面图像采集规则包括：

a、当图像信息不包含植物图像时，驱动装置驱动移动座向前移动；

b、当图像信息包含植物图像时，若植物区域的中心点与图像中心点的距离超出设定的阈值范围或者从植物区域到图像边缘的距离大于设定的阈值范围，驱动装置驱动移动座继续向前移动；

c、当图像信息包含植物图像、植物区域的中心点与图像中心点的距离未超出设定的阈值范围或者从植物区域到图像边缘的距离不大于设定的阈值范围时，若植物区域上方到图像上方边缘距离大于设定的阈值范围，深度相机下移，同时调节深度相机的上下偏转角度；

（3）植物移动到相机视场范围的中心后，深度相机捕获植物侧面图像，通过转动旋转台，深度相机捕获植物周向的侧面图像。

作为优化，冠层图像获取包括如下步骤：

（1）上移深度相机，根据冠层图像采集规则调整植物与深度相机的相对位置，冠层图像采集规则包括：

a、当植物区域的上方边缘到图像上方边缘距离达到指定的阈值范围，相机停止上升；

b、当植物图像的上方区域面积大于设定阈值时，控制深度相机向下偏转并同时控制移动座向前移动；

c、当存在植物一侧超出相机的视场外，控制移动座后移；

（2）当植物区域的上方边缘到图像上方边缘距离达到指定的阈值范围、植物图像的上方区域面积不大于设定阈值、植物两侧未超出相机的视场外时，深度相机捕获植物冠层图像，通过转动旋转台，深度相机捕获植物周向的冠层图像。

本发明的有益效果为：通过机械装置与深度相机组成主动视觉平台，结构简单且成本较低；控制器基于单目相机获取的图像以及传感器精确检测反馈，实现整个主动视觉过程，具有较高的测量精度；通过主动视觉的方式减少人的参与度，节省了劳动力；升降装置与驱动装置的结合，保证了深度相机的测量视场范围。

附图说明

图1为本发明用于植物表型获取的主动视觉平台的整体结构示意图；

图2为本发明用于植物表型获取的主动视觉平台的旋转台处放大示意图；

图3为本发明用于植物表型获取的主动视觉平台的立柱局部放大示意图；

图4为本发明用于植物表型获取的主动视觉平台的移动座处的剖视图；

图5为本发明用于植物表型获取的主动视觉平台的固定栓结构示意图；

图中所示：

1、立柱，2、固定栓，3、深度相机，4、工作台，5、植物，6、旋转台，7、背景板，8、标志柱， 9、控制器，10、驱动电机，11、光电传感器，12、移动座，13、第一步进电机，14、第二步进电机，15、钢性绳，16、圆杆，17、齿轮杆，18、第三步进电机。

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，对本方案进行阐述。

如图1所示一种用于植物表型获取的主动视觉平台，包括安装在支架上的深度相机3，以及设置有与深度相机3电连接的控制器9、移动座12的工作台4，所述工作台4上安装有驱动所述移动座12朝向深度相机3所在竖轴线移动的驱动装置，所述移动座12上设有第一由步进电机13驱动旋转的旋转台6，所述第一步进电机13和驱动装置均与控制器9电连接。

工作台4上开设有朝向深度相机3所在竖轴线延伸的滑槽，所述移动座12滑接于滑槽中，所述驱动装置包括安装在工作台上的驱动电机10，所述驱动电机10通过丝杠螺母机构与移动座12连接。工作台4上还固设有远离深度相机3一侧的背景板7，深度相机3与背景板7之间的工作台4上固设有标志柱8。

旋转台6通过竖轴与移动座12转动连接，第一步进电机13与旋转台6固接，且第一步进电机13的输出轴上固装有齿轮，所述竖轴上设有与所述齿轮啮合的齿圈。

移动座12底部有与工作台4的上凸滑轨滑接的两平行凹轨，顶部端的外圆面设有沿周向均匀分置的凹槽，相邻凹槽间隔36°，所述旋转台6上固定有朝向凹槽设置的光电传感器11，所述光电传感器11与控制器9电连接。

支架包括底板，以及与底板固接且竖直向上延伸的立柱1，立柱1的横截面为工字形，其顶部与底部的内侧分别安装有可转动圆杆16，且顶部外壁固定安装有带动圆杆16转动的第二步进电机14，所述两圆杆16之间安装有带动深度相机3沿竖直方向移动的钢性绳15，所述第二步进电机14与控制器9电连接。

为了方便深度相机的安装和转动调节，本实施例还包括相机活动装置，所述相机活动装置包括固定安装在钢性绳15上的固定栓2和齿轮杆17，所述固定栓2在远离钢性绳15一端有齿圈孔，每个齿为15°，且与齿轮杆17啮合，所述深度相机3通过圆孔部件固定在齿轮杆17上，所述齿轮杆17一端安装有带动其转动的第三步进电机18，所述第三步进电机18与控制器9电连接。

控制器9，优选单片机，与控制机械部分电连接，且其对各个机械部分的实现功能做出精确的控制，其中图像处理模块包括获取图像，图像处理以及与各个模块紧密配合，从而实现基于单目相机实现整个主动视觉过程。

一种植物表型获取方法，包括侧面图像获取和冠层图像获取，侧面图像获取包括如下步骤：

1、在植物表型获取前，对深度相机进行标定，得到深度相机的焦距、偏移和轴偏斜参数，以便获取可靠的深度相机的工作过程。

2、旋转台与标志柱横向对齐，将被检测植物5放于旋转台上，即植物处于初始位置，通过深度相机采集植物图像，并通过图像处理技术对获取的植物图像进行处理，处理器根据图像处理结果结合侧面图像采集规则将植物移动到相机视场范围的中心，侧面图像采集规则包括：

a、当图像信息不包含植物图像时，驱动装置驱动移动座向前移动；

b、当图像信息包含植物图像时，若植物区域的中心点与图像中心点的距离超出设定的阈值范围或者从植物区域到图像边缘的距离大于设定的阈值范围，驱动装置驱动移动座继续向前移动；

c、当图像信息包含植物图像、植物区域的中心点与图像中心点的距离未超出设定的阈值范围或者从植物区域到图像边缘的距离不大于设定的阈值范围时，若植物区域上方到图像上方边缘距离大于设定的阈值范围，深度相机下移，同时调节深度相机的上下偏转角度，每次可偏转15°。

3、植物移动到相机视场范围的中心后，此时深度相机与植物的位置构成了能用于植物表型的图像采集的起点，确定合适的采集视角，深度相机捕获植物侧面图像，通过转动旋转台，深度相机捕获植物周向的侧面图像。优选地，控制器控制第一步进电机转动，光电传感器感应凹槽反馈给控制器，进而校正第一步进电机的转角，深度相机可每36°捕获一张图像，每株植物可获取10张侧面图像，完成对植物侧面图像的捕获工作。

冠层图像获取包括如下步骤：

1、上移深度相机，根据冠层图像采集规则调整植物与深度相机的相对位置，冠层图像采集规则包括：

a、当植物区域的上方边缘到图像上方边缘距离达到指定的阈值范围，相机停止上升；

b、当植物图像的上方区域面积大于设定阈值时，控制深度相机向下偏转并同时控制移动座向前移动；

c、当存在植物一侧超出相机的视场外，控制移动座后移。

2、当植物区域的上方边缘到图像上方边缘距离达到指定的阈值范围、植物图像的上方区域面积不大于设定阈值、植物两侧未超出相机的视场外时，深度相机与植物的位置构成植物冠层图像采集的起点，深度相机捕获植物冠层图像，通过转动旋转台，深度相机捕获植物周向的冠层图像，可以是每72°捕获一张图像，每株植物可获取5张冠层图像，完成工作。

当然，上述说明也并不仅限于上述举例，本发明未经描述的技术特征可以通过或采用现有技术实现，在此不再赘述；以上实施例及附图仅用于说明本发明的技术方案并非是对本发明的限制，参照优选的实施方式对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换都不脱离本发明的宗旨，也应属于本发明的权利要求保护范围。

Claims (10)

1.一种用于植物表型获取的主动视觉平台，其特征在于：包括安装在支架上的深度相机（3），以及设置有与深度相机（3）电连接的控制器（9）、移动座（12）的工作台（4），所述工作台（4）上安装有驱动所述移动座（12）朝向深度相机（3）所在竖轴线移动的驱动装置，所述移动座（12）上设有由第一步进电机（13）驱动旋转的旋转台（6），所述第一步进电机（13）和驱动装置均与控制器（9）电连接。

2.根据权利要求1所述的用于植物表型获取的主动视觉平台，其特征在于：所述旋转台（6）通过竖轴与移动座（12）转动连接，第一步进电机（13）与旋转台（6）固接，且第一步进电机（13）的输出轴上固装有齿轮，所述竖轴上设有与所述齿轮啮合的齿圈。

3.根据权利要求1所述的用于植物表型获取的主动视觉平台，其特征在于：所述移动座（12）是圆柱结构，底部有两个平行的滑动凹轨，且与工作台（4）上两个平行的上凸滑轨滑接，顶部端的外圆面设有沿周向均匀分置的凹槽，顶部面上有竖轴，且与旋转台（6）转动连接，所述旋转台（6）上固定有朝向凹槽设置的光电传感器（11），所述光电传感器（11）与控制器（9）电连接。

4.根据权利要求1所述的用于植物表型获取的主动视觉平台，其特征在于：所述工作台（4）上开设有朝向深度相机（3）所在竖轴线延伸的滑槽，滑槽的底部设有两个平行的上凸滑轨，所述移动座（12）滑接于滑槽中，所述驱动装置包括安装在工作台（4）上的驱动电机（10），所述驱动电机（10）通过丝杠螺母机构与移动座（12）连接。

5.根据权利要求1所述的用于植物表型获取的主动视觉平台，其特征在于：所述工作台（4）上固设有远离深度相机（3）一侧的背景板（7）。

6.根据权利要求5所述的用于植物表型获取的主动视觉平台，其特征在于：所述工作台（4）上还固设有位于深度相机与背景板之间的标志柱（8）。

7.根据权利要求1所述的用于植物表型获取的主动视觉平台，其特征在于：所述支架包括一固定设置的立柱（1），立柱（1）的横截面为工字形，立柱顶部与底部的内侧分别安装有可转动圆杆（16），且立柱顶部外壁固定安装有带动圆杆转动的第二步进电机（14），两圆杆（16）之间安装有带动深度相机（3）沿竖直方向移动的钢性绳（15），所述第二步进电机（14）与控制器（9）电连接。

8.根据权利要求7所述的用于植物表型获取的主动视觉平台，其特征在于：还包括相机活动装置，所述相机活动装置包括固定安装在钢性绳（15）上的固定栓（2）和齿轮杆（17），所述固定栓（2）在远离钢性绳（15）一端有齿圈孔，且与齿轮杆（17）啮合，所述深度相机（3）通过圆孔部件固定在齿轮杆（17）上，所述齿轮杆（17）一端安装有带动其转动的第三步进电机（18），所述第三步进电机（18）与控制器（9）电连接。

9.一种植物表型获取方法，包括侧面图像获取和冠层图像获取，其特征在于，侧面图像获取包括如下步骤：

（1）对深度相机进行标定，得到深度相机的焦距、偏移和轴偏斜参数；

（2）将被检测植物放于旋转台上，通过深度相机采集植物图像，并通过图像处理技术对获取的植物图像进行处理，处理器根据图像处理结果结合侧面图像采集规则将植物移动到相机视场范围的中心，侧面图像采集规则包括：

a、当图像信息不包含植物图像时，驱动装置驱动移动座向前移动；

b、当图像信息包含植物图像时，若植物区域的中心点与图像中心点的距离超出设定的阈值范围或者从植物区域到图像边缘的距离大于设定的阈值范围，驱动装置驱动移动座继续向前移动；

c、当图像信息包含植物图像、植物区域的中心点与图像中心点的距离未超出设定的阈值范围或者从植物区域到图像边缘的距离不大于设定的阈值范围时，若植物区域上方到图像上方边缘距离大于设定的阈值范围，深度相机下移，同时调节深度相机的上下偏转角度；

（3）植物移动到相机视场范围的中心后，深度相机捕获植物侧面图像，通过转动旋转台，深度相机捕获植物周向的侧面图像。

10.根据权利要求9所述的一种植物表型获取方法，其特征在于，冠层图像获取包括如下步骤：

（1）上移深度相机，根据冠层图像采集规则调整植物与深度相机的相对位置，冠层图像采集规则包括：

a、当植物区域的上方边缘到图像上方边缘距离达到指定的阈值范围，相机停止上升；

b、当植物图像的上方区域面积大于设定阈值时，控制深度相机向下偏转并同时控制移动座向前移动；

c、当存在植物一侧超出相机的视场外，控制移动座后移；

（2）当植物区域的上方边缘到图像上方边缘距离达到指定的阈值范围、植物图像的上方区域面积不大于设定阈值、植物两侧未超出相机的视场外时，深度相机捕获植物冠层图像，通过转动旋转台，深度相机捕获植物周向的冠层图像。