CN111316078A - 使用光导的手持设备和使用其用于确定植物状态的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于确定植物状态的手持设备和方法。该设备包括：多像素数字颜色传感器；光源，布置用于提供宽带照明，其中光源和多像素数字颜色传感器布置在基本相同的平面中；光导，用于将来自所述光源的光引导到多像素数字颜色传感器的方向；样本空间，提供在多像素数字颜色传感器和光源之间，用于植物的至少部分插入其中；以及处理单元，配置用于至少控制多像素数字颜色传感器和光源。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于确定植物状态，更具体地是植物的营养状态，的设备和方法。
背景技术
已知借助于叶绿素含量来确定植物状态，诸如植物营养状态。叶绿素含量通常借助于光学（例如反射率或透射率）测量来确定。然而，用于确定植物状态的设备可能庞大、复杂、部署麻烦和/或昂贵。
现有技术
Vesali等人在2017年的Photosynthetica 55中公开了一种智能手机，其适合于作为成像光谱仪使用，来估计玉米植物中的叶绿素含量。使用相机前面的单独LED提供背景光源照明，从而提供对布置在LED和相机之间的样本的恒定照明（光辅助光谱吸收光度测定、LASAP、方法）。
WO 2015/077493 A1（Digimarc公司，2015年5月28日）公开了一种智能手机，当不同的图像帧被该手机的CMOS图像传感器捕获时，其通过不同的LED光源的同步化脉动而适合于作为成像光谱仪使用。特别的实施方式采用CIE颜色匹配方程、和/或它们的正交变换方程，能够实现直接色度捕获。光谱图像被处理以用于对象识别、分类和其他各种应用中。特别的应用包括产品（例如水果或蔬菜）识别。
US 9075008 B2（Kyle H.Holland，2011年3月3日）公开了一种用于处理植物的方法和系统，包括使用至少三个光谱带来测量植物的光学性质；在计算设备中使用光学性质计算至少两个差异植物指数，该至少两个植物指数中的每一个与一个或多个植物生长参数相关；在计算设备中使用该至少三个光谱带从该至少两个差异植物指数中计算水不变叶绿素指数；并基于水不变叶绿素指数处理植物的一个或多个。
EP 1429594 B1（Norsk Hydro ASA，2003年4月3日）公开了一种以非接触方式确定和影响植物状态的方法，特别是植物的斑块特异性或部位特异性施肥，其中在与载体一起往返移动期间借助于光斑或光带由调制人造卤或氙光源照明植物，植物叶片的反射信号借助于检测器在可见和/或近红外光谱范围内捕获，并传递给评估和信号处理单元以用于确定生物物理参数，诸如生物量、叶绿素和/或水含量，并由此导出植物的营养水平的测量结果，计算机使用该测量结果来控制要施用的肥料的适当量为目标变量。
US 2016/0231171 Al（Int.Business Machines Corp.，2016年8月11日）公开了一种光谱仪装置，包括移动设备，该移动设备包括具有相机镜头和图像传感器的集成照相机。包括光学光谱仪设备和封闭的样本空间的可拆卸外壳可以与移动设备耦合。目标图像由光学光谱仪设备处理并由图像传感器接收。移动设备可以包括用于分析目标图像的计算机应用程序。
US 2014/0267670 A1（Tipgunlakant，2014年9月18日）公开了一种移动显微镜装置，其包括照明模块，其用于照明可移动介质，诸如显微镜载片，所述可移动介质将被插入到在操作期间封闭的样本空间中；图像获取光学器件和安装框架组件。显微镜装置与包括存储器单元和相机的移动计算设备一起使用以分析样本。图像获取单元创建要分析的样本的真实图像，并且由相机获取图像。照明模块可以是移动计算设备中包括的相机的闪光灯部件。
发明内容
目的是提供一种简单、易于使用、易于部署和/或便宜的系统。更一般而言，目的是提供一种用于确定植物状态的改进的系统。
根据一方面，特别是根据权利要求1，提供了一种用于确定植物状态的手持设备。手持设备提供的优点在于可以容易地在位置，例如在现场，执行确定。
手持设备包括多像素数字颜色传感器和布置用于提供宽带照明的光源，其中光源和多像素数字颜色传感器被布置在基本相同的平面中。优选地，光源和多像素数字颜色传感器沿竖直轴布置，一个在另一个之上。优选地，多像素数字颜色传感器定位在光源上方。可替代地，光源和多像素数字颜色传感器沿水平轴布置，一个紧挨着另一个。宽带照明可以例如由白色光源（诸如白色LED或闪光灯）提供。多像素数字颜色传感器可以是本领域中已知的任何传感器，特别是包括具有两个或更多个、特别是1至120兆像素并且能够测量一个或多个颜色分量的传感器。优选地，传感器选自CMOS图像传感器和CCD图像传感器。根据本发明的传感器将产生一个或多个读数，在本申请中，其将被称为图像。读数可以指的是针对一个或多个颜色分量测量的强度、针对一个或多个像素测量的强度或两者。可选地，传感器可以在传感器的前面装备有镜头，在这种情况下，传感器-和-镜头布置可以称为相机。
该设备还包括用于将来自所述光源的光引导到所述多像素数字颜色传感器的方向的光导。光导至少包括光发射表面和光接受表面并且可以具有任何形状。可选地，并且除了光发射和光接受表面之外，光导利用材料层涂覆、覆盖或屏蔽。材料层可以防止环境光，除了通过光接受表面以及可选地通过光发射表面之外，进入光导。材料层可以防止来自光源的光，除了通过光发射表面之外，离开光导。因此，可以增加光导的效率。可选地，光导包括光扩散器。光扩散器可以帮助例如提供与多像素数字颜色传感器相对的基本均匀的光发射表面。光扩散器可包括扩散半透明表面，诸如磨砂或哑光表面。光扩散器可包括扩散半透明材料，诸如蛋白石玻璃或蛋白石塑料。可选地，光导由扩散半透明材料制造。光导可以是单块部件。
该设备还包括样本空间，其提供在多像素数字颜色传感器与光导的部分之间，用于将要确定状态的植物的至少部分插入其中。可以在光导的光发射表面与多像素数字颜色传感器之间提供用于在其中插入植物的至少部分的样本空间，光导的光发射表面和多像素数字颜色传感器定位在样本空间的相对侧上，例如彼此直接相对。多像素数字颜色传感器的光学轴可以延伸穿过光发射表面，例如基本穿过光发射表面的中心。当植物的部分（例如，叶子）被插入样本空间中时，光源随后将发射光穿过光导的光接受表面、光导、光导的光发射表面和植物部分，到多像素数字颜色传感器上。样本空间是开放的样本空间，使用时与环境空气和光接触。样本空间可以是狭缝，以便允许容易插入叶子，同时允许多像素数字颜色传感器与光导的光发射表面之间小的距离，例如2 mm或更小。
可替代地或附加地，在光源和光导的光接受表面之间提供用于在其中插入植物的至少部分的样本空间，光源和光导的光接受表面定位在样本空间的相对侧上，例如彼此直接相对。光源的光学轴可以延伸穿过光接受表面，例如基本穿过光接受表面的中心。当植物的部分（例如，叶子）被插入样本空间中时，光源随后将发射光以穿过植物部分、光导的光接受表面、光导和光导的光发射表面，到多像素数字颜色传感器上。样本空间可以是狭缝，以便允许容易插入叶子，同时允许光源与光导的光接受表面之间小的距离，例如2 mm或更小。
可选地，样本空间以允许要确定状态的植物的未处理部分插入的方式来开放。手持设备可以直接在现场的植物上使用。要分析的植物部分（例如，叶子）不需要从植物切下或分离。可以对它清洗以获得更可靠且准确的测量结果。
优选地，多像素颜色传感器和光导的部分之间的空间应当没有任何其他光学装备，诸如镜头、镜子、棱镜、光栅。
该设备还包括处理单元，其配置用于至少控制多像素数字颜色传感器和光源。处理单元可以被配置用于控制多像素数字颜色传感器和光传感器，以至少获得插入样本空间中的植物的部分的颜色读数，诸如彩色图像。可选地，处理单元还可被配置用于执行数学计算，如下所述。
优选地，手持设备是计算和/或通信设备，诸如智能手机、膝上型电脑或平板电脑。然后，多像素数字颜色传感器可以是智能手机、膝上型电脑或平板电脑的相机的部分
可选地，光源可以是手持设备的光源，诸如闪光灯。因此，手持设备可以有利地使用通常在诸如智能手机或平板电脑之类的手持设备上可用的相机和光源。光导可以规定，光导的光发射表面，并因此整个光源的光发射表面，定位成与相机镜头相对，并因此与多像素数字颜色传感器相对。因此，可以以机械上简单且有效的方式转换手持设备，以允许检测穿过植物部分的光透射。
可选地，光导例如借助于夹子、夹具、粘合剂等可拆卸地附接到手持设备。可选地，光导是手持设备的盖的部分。光导的光接受表面应至少部分地覆盖手持设备的光源。光导应至少部分悬在手持设备的多像素数字颜色传感器（或相机）之上。
可选地，处理单元被配置用于控制多像素数字颜色传感器，并且用于开启和关闭光源，并配置用于在光源开启的情况下获得第一图像，以及在光源关闭的情况下获得第二图像。将理解的是，获得第一图像和第二图像的顺序可以变化。
可选地，多像素数字颜色传感器被配置用于获得彩色图像，例如样本空间中植物部分的彩色图像。将理解的是，由于样本空间中的植物部分可以非常靠近相机镜头，因此这样的图像不需要是聚焦的图像。彩色图像包括像素，每个像素至少包括红色（R）、绿色（G）和蓝色（B）颜色分量，一起形成颜色分量的集合。
处理单元被配置用于针对颜色分量中的第一个，确定代表第一图像和第二图像的强度值的差异的第一颜色值。在多像素传感器的情况下，读数将是图像。可选地，处理单元被配置用于针对颜色分量中的第二个，确定代表第一图像和第二图像的强度值的差异的第二颜色值。处理单元可以被配置用于使用第一颜色值和第二颜色值来计算代表植物状态的值。
基于第一图像（即采用光源照明（索引为ON））和第二图像（即没有光源的照明（索引为OFF））来确定代表植物状态的值提供的优点在于可以抑制环境照明条件的影响。因此，大大增强了设备的可靠性。还可以增强确定的再现性。将理解的是，通常，该设备和方法可以用于确定代表对象，诸如植物、根、叶子、花瓣、种子、花、外皮等，的状态S的值。
处理单元可以被配置用于通过以下步骤来计算代表植物状态的值：针对颜色分量中的第一个，将第一颜色值确定为第一图像和第二图像的像素平均强度值（即，对于给定颜色分量在所有像素上平均的强度值）的差异；对于颜色分量中的第二个，将第二颜色值确定为第一图像和第二图像的像素平均强度值（即，对于给定颜色分量在所有像素上平均的强度值）的差异；以及使用第一颜色值和第二颜色值计算代表植物状态的值。因此，代表植物状态的值S是，对于颜色分量中的第一个，第一图像的平均强度值
和第二图像的平均强度值
，以及对于颜色分量中的第二个，第一图像的平均强度值
和第二图像的平均强度值
的函数f：
这里，第一颜色值是
，以及第二颜色值是
。
由于对标准手持设备（诸如智能手机、膝上型电脑或平板电脑）来说与相机间的近距离，叶子很可能无法聚焦，并且强度值的空间分布通常不提供任何信息。因此，可以证明对图像使用平均强度值是有理的。
处理单元可以被配置用于通过以下步骤来计算代表植物状态的值：每个像素地对于颜色分量中的第一个，将第一颜色值确定为第一图像和第二图像的强度值的差异；每个像素地对颜色分量中的第二个，将第二颜色值确定为第一图像和第二图像的强度值的差异；以及通过对使用每个像素的第一颜色值和每个像素的第二颜色值获得的代表植物状态的逐个像素（pixel-wise）值求平均来计算代表植物状态的值。因此，代表植物状态的值S是，对颜色分量中的第一个，第一图像中的每个像素i的强度值
和第二图像中的每个像素i的强度值
以及，第一图像中的每个像素的强度值
和第二图像中的每个像素的强度值
的函数f：
这里，第i个像素的第一颜色值是
，以及第i个像素的第二颜色值是
。
计算代表植物状态的值的以上方式也可以用于第一图像和第二图像的多个像素块中的每个。可以通过对代表获得的植物状态的这种逐个块（block-wise）的值求平均来计算代表植物状态的最终值。
可选地，处理单元被配置用于在步骤（iii）中，基于第一颜色值和第二颜色值的比率计算代表植物状态的值S。因此，S可以表示为S=V1/V2。在本文中，V1和V2可以如上确定。
处理单元可以例如被配置用于计算代表植物状态的值S为：
其中
是在第一图像的多个像素上求平均的第一颜色分量强度值，
是在第二图像的多个像素上求平均的第一颜色分量强度值，
是在第一图像的多个像素上求平均的第二颜色分量强度值，以及
是在第二图像的多个像素上求平均的第二颜色分量强度值。
处理单元可以例如被配置用于计算代表植物状态的值S为：
其中
是第一图像的第i个像素的第一颜色分量强度值，
是第二图像的第i个像素的第一颜色分量强度值，
是第一图像的第i个像素的第二颜色分量强度值，以及
是第二图像的第i个像素的第二颜色分量强度值，并且n是像素的数量。
叶子绿度与植物氮状态之间存在关系。因此，可以基于从植物叶子收集的测量数据来确定植物氮需求。具有增加的氮水平的植物叶子通常具有更多的叶绿素和更高的光合作用速率。因此，看起来较暗绿色的植物被认知为比氮缺乏植物更健康。因此，可能感测或测量叶子绿度并获得叶绿素浓度和植物氮状态的指示。
此外，还可以基于公开的颜色方法来监视代表植物状态的其他性质，并且为此，应当确定适当的颜色值并且应当计算代表植物状态的值。
可选地，颜色分量中的第一个是绿色（G），以及颜色分量中的第二个是红色（R）。
由于绿色颜色分量和红色颜色分量的强度可以取决于样本空间中植物部分的厚度，因此使用绿色图像分量和红色图像分量的比率也可以用于使得测量结果（即，比率）较少地取决于植物部分厚度。
可选地，处理单元还被配置用于，对于颜色分量中的第三个，确定代表第一图像和第二图像的强度值的差异的第三颜色值，并使用第一颜色值、第二颜色值和第三颜色值计算代表植物状态的值。
将理解的是，第三颜色值可被确定为，对于颜色分量中的第三个，第一图像和第二图像的平均强度值的差异，或者被确定为，每个像素地对于颜色分量中的第三个，第一图像和第二图像的强度值的差异。
可选地，处理单元被配置用于在步骤（iii）中，基于第一颜色值和第二颜色值的比率（例如，如EQ5或EQ6中）计算代表植物状态的值。使用两个颜色值的比率允许计算代表植物状态的值，其中通过使用第二颜色值作为参考来增加对第一颜色值的灵敏度。
可选地，处理单元被配置用于在步骤（iii）中，基于使用第一、第二和第三颜色值的色调值计算代表植物状态的所述值。色调值hRGB可以常规地计算为
其中VR是第一颜色值，其中红色被选择为颜色分量中的第一个，VG是第二颜色值，其中绿色被选择为颜色分量中的第二个，以及VB是第三颜色值，其中蓝色被选择为颜色分量中的第三个。函数atan2是具有两个参数的反正切函数。对于不是都等于零的实数参数x和y，atan2（y，x）是平面的正x轴与由平面上坐标（x，y）给出的点之间的弧度角。色调值可以代表叶绿素含量。较暗的绿色可以指示较高叶绿素含量，较浅的绿色可以指示较低叶绿素含量。较浅的绿色可以指示氮缺乏。色调值也可以代表其他植物状态。
代表植物状态的值也可以被确定为第一、第二和可选的第三颜色值V1、V2和V3的其他数学组合。例如，S=（V1-V2）/（V1+V2）、S=（V1-V2）/V3、S=V1/（V2-V3）等，或者可以计算其他参数，诸如色调和饱和度。为了使值S对光的绝对强度不灵敏，优选使用颜色值的比率。
可选地，处理单元被配置用于校准第一颜色值、第二颜色值和可选的第三颜色值。这提供的优点在于，可以计及通常在不同传感器、不同光导和不同机械设置之间出现的颜色通道的相对灵敏度的偏差。而且，可以计及跨光源的光发射表面的光强度的偏差。
校准可以包括：当光源利用宽带照明来照明参考对象时，利用多像素数字颜色传感器以优选地已知的均匀透射率获得参考对象的第一参考图像，以及当光源不照明参考对象时，获得参考对象的第二参考图像。第一参考图像也可以通过在开启光源时在样本空间中不存在任何对象的情况下拍摄图像来获得，以及第二参考图像可以通过在关闭光源时在样本空间中不存在任何对象的情况下拍摄图像来获得。
处理单元可以被配置用于通过以下方式来校准第一、第二或第三颜色值：对于那个颜色值，将该颜色值乘以校准值C（被确定为参考值K）、除以针对该颜色分量的第一参考图像中的平均强度值
与第二参考图像中的平均强度值
的差异：
处理单元可以被配置用于通过以下方式来校准第一、第二或第三颜色值：每个像素地对于那个颜色值，将该颜色值乘以确定为参考值K的校准值Ci、除以每个像素地对于该颜色分量的第一参考图像和第二参考图像中强度值的差异：
在本文中，
是第一参考图像的第i个像素的该颜色分量的强度值，以及
是第二参考图像的第i个像素的该颜色分量的强度值。
处理单元可以被配置用于通过以下方式来校准第一、第二或第三颜色值：针对该颜色值每个像素块b地，将该颜色值乘以确定为参考值K的校准值Cb、除以针对该颜色分量的第一参考图像和第二参考图像中每个像素的强度值的差异的平均：
在本文中，
是第一参考图像的第i个像素的该颜色分量的强度值，
是第二参考图像的第i个像素的该颜色分量的强度值，以及p是块中的像素的数量。
参考值K可以是常数，诸如最大可能强度值、针对该颜色分量在第一参考图像中遇到的最大强度值、针对该颜色分量在第一参考图像和第二参考参考图像中的平均强度值的最大差异等。参考值K可以代表在相应颜色分量处参考对象的透射率。
将理解的是，在处理单元基于第一颜色值和第二颜色值的比率计算代表植物状态的值的情况下，用于第一颜色值的校准常数C1和第二种颜色值的校准常数C2的参考值K可能从等式中消失，例如如果参考值K对于所有颜色分量相同。例如，当使用方程式EQ5的校准形式时：
其中
为对于颜色分量中的第一个，第一参考图像中的平均强度值，诸如此类。
可选地，处理单元被配置用于选择和使用至少一种颜色分量，该颜色分量相比颜色分量中的另一个对植物状态的改变较不灵敏。
可选地，处理单元被配置用于在步骤（iii）中，使用颜色分量中的一个或多个的强度计算代表对象的颜色状态的值。
可选地，处理单元被配置用于响应于单个用户命令来控制多像素数字颜色传感器和光源以获得第一图像和第二图像。因此，单个用户命令开始测量序列，按测量序列自动获得第一图像和第二图像两者。优选地，快速连续地获得第一图像和第二图像。第一图像和第二图像可以例如是在1秒内、优选地在<100ms内、更优选地在<10ms内获得。因此，减少了由于环境光的改变导致的测量误差。例如，多像素数字颜色传感器的曝光时间可以是1/5000s（200μs），以及第一图像和第二图像之间的延迟时间可以例如是100ms。
根据一方面，多像素数字颜色传感器被配置用于确定红色强度值、绿色强度值和蓝色强度值。多像素数字颜色传感器可以是诸如智能手机或平板电脑的手持设备的RGB数字彩色相机。绿色图像分量可以是图像中像素的绿色像素值。红色图像分量可以是图像中像素的红色像素值。
根据一方面，处理单元被配置用于确定代表植物状态的值，作为绿色/红色比率G/R，如：
在本文中，G1是第一图像的多个像素的第一平均绿色强度值，以及G0是第二图像的多个像素的第二平均绿色强度值。在本文中，R1是第一图像的多个像素的第一平均红色强度值，以及R0是第二图像的多个像素的第二平均红色强度值。C是校准常数。将理解的是，G1、G0、R1和R0优选地涉及相同的多个像素。多个像素可以是图像内的预定区域，例如，中心区域。多个像素可以是图像内的可变区域，例如，强度值高于阈值的区域。多个像素可以是图像内的所有像素。
可以通过以下方式确定校准常数C：在光源利用宽带照明来照明多像素数字颜色传感器的同时，在没有对象插入样本空间中的情况下获得第一参考图像；以及在光源被关闭的情况下获得第二参考图像。校准常数可以定义为：
在本文中，Gr1是第一参考图像的多个像素的第一平均绿色强度值，以及Gr0是第二参考图像的多个像素的第二平均绿色强度值。在本文中，Rr1是第一参考图像的多个像素的第一平均红色强度值，以及Rr0是第二参考图像的多个像素的第二平均红色强度值。校准常数可以例如补偿设备的特定于多像素数字颜色传感器、特定于光导和/或特定于光源的偏移。
将理解的是，对于设备，如上文所定义的校准常数可能仅被确定一次。然而，当怀疑该设备退化时，例如由于部件退化或污染，可以重新确定校准常数。将理解的是，在这种设置中，校准非常简单（只采取“空”读数）。因此，实践中，校准步骤可以简单地在通电后或启动软件后执行一次。
根据一方面，该设备还包括通信单元，该通信单元被配置用于将确定的植物状态或从中导出的参数传达给施用器系统，诸如施肥系统、灌溉系统、通风系统、加热系统等。
可选地，该设备包括用于确定设备的位置信息的位置确定单元，诸如GPS单元。然后该设备可被配置为存储植物的状态或从中导出的参数并结合位置信息。可替代地或附加地，设备可以被配置为用于将确定的植物状态或从中导出的参数与位置信息结合地传达到施用器系统，例如可变速率施用器系统，诸如可变速率施肥系统。因此，可以通过将农业产品精确地施用于要处理的单独植物或位置来减少肥料的使用。
根据一方面，该设备包括智能手机、膝上型电脑或平板电脑。多像素数字颜色传感器、光源、处理单元以及可选的通信单元和位置确定单元可以是智能手机、膝上型电脑或平板电脑的部分。这提供了可以以简单的方式提供紧凑设备的优点。
根据一方面，提供了一种用于确定植物状态的计算机程序产品。该计算机程序产品包括软件代码部分，所述软件代码部分被配置用于当在可编程设备上执行时，来辅助用户在需要确定植物状态时响应于单个使用的命令而：在设备的光源通过植物部分透射宽带照明时利用设备的多像素数字颜色传感器获得植物的部分（诸如叶子）的第一图像；在光源不照明植物部分时利用多像素数字颜色传感器获得植物部分的第二图像，第一图像和第二图像至少包括红色（R）、绿色（G）和蓝色（B）颜色分量，共同形成颜色分量的集合；对于颜色分量中的第一个，确定代表第一图像和第二图像的强度值差异的第一颜色值；对于颜色分量中的第二个，确定代表第一图像和第二图像的强度值差异的第二颜色值；以及使用第一颜色值和第二颜色值计算代表植物状态的值。可选地，计算机程序产品包括在非暂时性数据存储设备中。计算机程序产品可以例如是智能手机、膝上型电脑或平板电脑的应用程序。可选地，可以从通信网络（诸如因特网）下载该应用程序。
根据一方面，提供了用于获得和/或启动所述计算机程序产品的壳体和令牌的组合体。该令牌可以是例如在何处下载计算机程序产品的位置的指示，诸如URL。该令牌可以是用于授权例如从应用程序商店下载和/或使用计算机程序产品（例如使程序产品能够操作或完全操作）的授权代码。
根据一方面，提供了一种用于使用设备确定植物状态的方法，该设备包括：多像素数字颜色传感器；光源，其布置用于将宽带照明提供到所述多像素数字颜色传感器；光导，其用于将来自所述光源的光引导到多像素数字颜色传感器的方向；样本空间，提供在多像素数字颜色传感器和光源之间，用于将植物的至少部分插入其中；以及处理单元。该方法包括在光源通过植物部分透射宽带照明进入多像素数字颜色传感器时利用多像素数字颜色传感器来获得插入样本空间中的植物的部分的第一图像。该方法包括在光源不照明植物部分时利用多像素数字颜色传感器来获得插入样本空间中的植物部分的第二图像。第一图像和第二图像至少包括红色（R）、绿色（G）和蓝色（B）颜色分量，共同形成颜色分量的集合。该方法包括对于颜色分量中的第一个，确定代表第一图像和第二图像的强度值的差异的第一颜色值。该方法包括对于颜色分量中的第二个，确定代表第一图像和第二图像的强度值的差异的第二颜色值。该方法包括使用第一颜色值和第二颜色值计算代表植物状态的值。该方法优选地是计算机实现的方法。
可选地，该方法包括响应于代表植物状态的计算的值采取动作，诸如灌溉、施肥、收获、遮蔽（例如避开阳光）、通风和/或加热。该方法可以包括向操作员或机器提供指令以采取这样的动作。该方法可以包括将代表植物状态的值与阈值或与参考函数进行比较，以便确定是否采取该动作。
将理解的是，鉴于设备而描述的任何方面、特征和选项等同地适用于方法、计算机程序产品和组合体，以及反之亦然。同样清楚的是，以上方面、特征和选项中的任何一个或多个可以被组合。
附图说明
将基于在附图中表示的示例性实施例进一步阐明本发明。通过非限制性说明的方式给出示例性实施例。注意的是，附图仅是通过非限制性示例的方式给出的本发明的实施例的示意性表示。
在附图中：
图1A、1B和1C示出了设备的一个示意性表示，分别是正视图、后视图和侧视图；
图2A、2B和2C示出了设备的一个示意性表示，分别是正视图、后视图和侧视图；
图3示出了用于装配到设备的壳体的示意性表示；
图4A和4B示出了光导的示意性表示，分别是侧视图和仰视图；以及
图5示出了用于执行测量程序的示例性流程图。
图6示出了利用根据本发明的设备和市场上可售的N-测试仪来记录的数据的相关图表。
具体实施方式
图1A、1B和1C示出了此处手持设备1的示意性表示。在该示例中，设备1是智能手机。图1A示出了设备1的正视图。图1B示出了设备1的后视图。图1C示出了设备1的侧视图。设备1包括相机2和光源6，相机2包括多像素数字颜色传感器和镜头。相机2是彩色相机。在该示例中，相机2是RGB相机。RGB相机获得包含多个像素的图像。对于图像中的每个像素，相机2确定红色强度值、绿色强度值和蓝色强度值。在该示例中，相机为每个像素和每个颜色通道提供10位未校准的原始强度值。这样的相机的输出与光强度线性相关。
在该示例中，光源6是白色发光二极管LED。在此，光源6被放置在相机2下方。
在该示例中，设备1包括光导8。光导8定位成接收由光源6发射的光。光导8将由光源6发射的光引导指向到相机2的视场中，即多像素数字颜色传感器。在该示例中，光导8的部分10定位成与相机2相对。在部分10和相机2之间，形成样本空间12。可以将植物的部分（例如，叶子的部分）插入样本空间12中。在此，样本空间形成狭缝。相机2和部分10之间的距离可以是近似3mm或更小，例如大约2mm或更小。
如图1B中所示，设备1包括用户界面14。在此，用户界面14包括触摸屏。用户界面除了其他之外包括控件16，控件16用于控制（诸如触发）相机2和光源6。
在该示例中，设备1包括处理单元18。处理单元通信地连接到相机2、光源6和用户界面14。在此，该设备包括通信单元20。通信单元20通信地连接到处理单元18。在该示例中，设备1包括位置确定单元22，在此是全球定位系统GPS单元。位置确定单元22通信地连接到处理单元18。在该示例中，设备1包括存储器24，其适合于存储计算机程序、图像等。
至此描述的设备1可以如下使用。
在将设备1用于确定植物状态之前，可以校准设备1。另外，样本空间12简单地是空的。可替换地，将已知的且优选地光谱均匀透射率的参考对象插入样本空间12中。经由用户界面14，校准测量序列可以例如通过在触摸屏上按下“校准”按钮被启动。在激活校准测量序列之后，处理单元18指示光源6开启（如果其是关闭的）并指示相机2拍摄第一参考图像。接下来，处理单元18指示光源6关闭并且指示相机2拍摄第二参考图像。第一参考图像和第二参考图像可以例如临时地存储在设备1的存储器24中。将理解的是，也可能在获得第一参考图像（在光源打开的情况下）之前获得第二参考图像（在光源关闭的情况下）。
在该示例中，处理单元18确定第一参考图像的所有绿色像素强度值的平均强度值
。接下来，处理单元18确定第二参考图像的所有绿色像素强度值的平均强度值
。在该示例中，处理单元18确定第一参考图像的所有红色像素强度值的平均强度值
。在该示例中，处理单元18确定第二参考图像的所有红色像素强度值的平均强度值
。将理解的是，处理单元18还可能确定第一参考图像的所有蓝色像素强度值的平均强度值
，以及第二参考图像的所有蓝色像素强度值的平均强度值
。
然后，使用方程式EQ15计算校准常数C：
现在参考图2A、2B、3和6，描述测量。植物部分26（在此是叶子的部分）被插入样本空间12中。经由用户界面14，测量序列例如通过在触摸屏上按下按钮28被启动。在激活测量序列之后，处理单元18指示光源6开启并且指示相机2拍摄植物部分26的第一图像。接下来，处理单元18指示光源6关闭并且指示相机2拍摄植物部分26的第二图像。将理解的是，也可能在获得第一图像之前获得第二图像。第一图像和第二图像可以例如临时地存储在设备1的存储器24中。将理解的是，由于植物部分26被定位成靠近相机2（例如，触摸或几乎触摸相机的镜头），第一图像和第二图像可能焦点没对准。
在此，处理单元18响应于单个用户命令而自动使得设备拍摄两个图像。处理单元18使得快速连续地拍摄两个图像。在该示例中，以1/5000 s（200μs）的曝光时间和100 ms的图像之间的延迟时间拍摄图像。在等于或长于曝光时间的时段期间，光源6被激活为打开。
在该示例中，处理单元18确定第一图像的所有绿色像素强度值的平均强度值G1。在该示例中，处理单元18确定第二图像的所有绿色像素强度值的平均强度值G0。在该示例中，处理单元18确定第一图像的所有红色像素强度值的平均强度值R1。在该示例中，处理单元18确定第二图像的所有红色像素强度值的平均强度值R0。
然后，计算代表植物状态的值。在该示例中，计算在本文中称为FCCI（Flash CamChlorophyll Index闪光相机叶绿素指数）的光谱指数。另外，使用方程式16确定测量的FCCI’：
可以利用校正系数KD校正测量的FCCI’值。校正系数可以取决于设备。校正系数可以例如代表由处理单元18确定的FCCI’值和使用参考设备确定的FCCI之间的凭经验确定的关系。如果不需要校正，则校正系数可以等于一（1）。
该FCCI值代表植物部分26的平均绿度。设备1可以例如在用户界面上向用户显示确定的值。
还有可能的是，设备1指示代表用户界面上的值的信息。还有可能的是，处理单元基于代表植物状态的值执行农艺学校准。在该示例中，处理单元18确定要提供给植物的氮（N）的推荐量为所确定的FCCI的函数（例如，为每公顷kg N）。N-推荐可以例如在用户界面的字段30中显示。
将理解的是，根据方程式EQ17计算的FCCI值仅是植物状态的一个示例。更一般而言，设备可以基于可用（即，R、G和B）颜色值的各种数学组合来确定植物状态，诸如植物营养状态。例如，处理单元18可以基于所有三个颜色值来确定色调值。
在该示例中，设备1将代表确定的FCCI值的信息存储在存储器24中的记录中。
在该示例中，地理位置确定单元22在测量期间确定设备1的地理位置。代表地理位置的信息与代表所确定的FCCI值的信息一起存储在记录中。该记录可以被存储以供访问和分析。
可替代地或附加地，设备1可以使用通信单元20发射所确定的植物状态或从中导出的参数，例如结合位置信息，至施用器系统（例如，可变速率施用器系统，诸如可变速率施肥系统）。然后施用器系统可以将肥料施用的速率调整到所接收的状态信息。因此，通过将农业产品精确地施用于要处理的单个植物或位置可以优化（例如，减少）肥料的使用。
在图1A、1B、1C、2A、2B和2C的示例中，该设备被具体化为智能手机。该智能手机包括相机2、光源6、光导8、处理单元18、通信单元20和位置确定单元22。光源6可以例如是智能手机的闪光灯。在该示例中，智能手机配备有专用软件（诸如应用程序），使得智能手机能够执行如上所述的功能性。
在图3的示例中，光导8被包括在用于智能手机的壳体32中。图3示出了这种壳体32的横截面图的示例。壳体被布置用于例如通过点击附接到智能手机。在该示例中，壳体32包括第一孔34，用于将相机2暴露于来自光导8的光发射表面的光。在该示例中，壳体32包括第二孔36，用于将光导8暴露于由光源6发射的光。在该示例中，光导8例如通过点击、焊接、粘合等附接到壳体32。也有可能光导是壳体的单一个体部分。壳体32可以被提供为单独的附加单元，用于将智能手机转换为具有光导的设备1。也有可能光导8被附接或可附接到智能手机。
可选地，壳体或光导与令牌结合提供。令牌允许在智能手机上安装和/或使用专用软件。令牌可以例如包括何处可以下载专用软件的位置的指示，诸如URL。位置可以是安全位置。令牌可以例如包括允许到达位置和/或允许下载和/或安装的专用软件、和/或允许执行软件的认证。
图4A和4B示出了可以在图1A、1B、1C、2A、2B、2C或3的示例中使用的光导8的示意性表示。图4A示出了横截面图。图4B示出了仰视图。在该示例中，光导8包括光导主体8a。在该示例中，光导主体的外表面配备有，至少部分地光阻挡，一光阻挡层8b，诸如涂层。光阻挡层8b包括被构造为层8b中的孔的光接受窗8c。光阻挡层8b包括构造为层8b中的孔的光发射窗8d。
光导主体8a可以是透明的。在该示例中，光导主体8a是半透明的。在此，光导主体8a由诸如蛋白石玻璃或蛋白石塑料的扩散半透明材料构成。扩散半透明材料规定在光输出窗处发射的光可以是均匀的。因此，光导主体8a充当扩散器。可替代地或附加地，还有可能光导包括例如在光输入窗8c处和/或在光输出窗8d处的一个或多个扩散半透明表面，以充当扩散器。
实验性的
将根据本发明的设备的性能与市场上有售的叶绿素仪（Yara N-Tester，YaraInternational ASA，挪威）的性能进行比较。实验中，玉米植物在5种不同氮水平下生长。在5个生长阶段，采摘并利用叶绿素仪和根据本发明的设备测量多片个体叶子。结果如图6中所示。采用确定系数为R2＝0.857获得跨生长阶段的良好的相关性。
在本文中，参考本发明的实施例的特定示例描述本发明。然而，将显而易见的是，在不脱离本发明的实质的情况下，可以在其中进行各种修改和改变。为了清楚和简明描述的目的，本文中将特征描述为相同或分开的实施例的部分，然而，也可以设想具有在这些分开的实施例中描述的所有或一些特征的组合的替代实施例。
在示例中，处理单元响应于用户激活来控制多像素数字颜色传感器和光源拍摄两个连续的图像。将理解的是，还有可能处理单元响应于用户激活来控制多像素数字颜色传感器和光源以拍摄多于两个的图像。例如，设备可以在没有-有-没有光源激活的情况下连续拍摄图像。以没有照明的图像来启动序列可以帮助，例如在可能难以同步的设备（诸如某些智能手机）中，使得多像素数字颜色传感器和用于图像的光源与光源照明进行同步。在确定植物状态时，可以将没有照明的初始图像丢弃。还有可能处理单元响应于单个用户命令控制多像素数字颜色传感器和光源来拍摄多对图像。对于每对图像，可以确定植物状态。连续图像对的植物状态可以例如被存储和/或求平均。
在示例中，该设备被设计为智能手机。将理解的是，该设备也可以是专用手持设备。也有可能该设备被设计为另一种手持设备，诸如平板电脑、膝上型电脑等。
在示例中，处理单元对整个图像确定代表植物状态的值。将理解的是，处理单元还可以对图像的一个或多个部分确定代表植物状态的值。
在示例中，处理单元将代表植物状态的值确定为绿色和红色图像像素强度的比率。将理解的是，也可以使用可用像素强度的其他数学组合。
在示例中，处理单元对于一个或多个颜色分量，确定代表第一图像和第二图像中的强度值的差异的颜色值。将理解的是，也有可能样本空间由裙板或夹具等屏蔽以免受环境光影响。当样本空间被充分屏蔽以免受环境光时，可以省略在关闭光发射器的情况下获得第二图像。因此，然后可以仅在打开光发射器的情况下从第一图像确定颜色值。然而，其他修改、变化和替代也是可能的。
总而言之，说明书、附图和示例应在说明性意义上而不是限制性意义上考虑。
为了清楚和简明描述的目的，本文中将多个特征描述为相同或单独实施例的部分，然而，将理解的是，本发明的范围可以包括具有所描述的全部或一些特征的组合的实施例。
在权利要求中，放在括号之间的任何参考标记不应解释为对权利要求的限制。词语“包括”并不排除权利要求中所列特征或步骤以外的其他特征或步骤的存在。此外，词语“一”和“一个”不应解释为限制为“仅一个”，而是用来表示“至少一个”，并且不排除多个。在互不相同的权利要求中记载某些措施的纯粹事实并不指示不能有利地使用这些措施的组合。
Claims (23)
1.一种用于确定植物状态的手持设备，包括：
-多像素数字颜色传感器；
-光源，布置用于提供宽带照明，其中所述光源和所述多像素数字颜色传感器被布置在基本相同的平面中；
-光导，用于将来自所述光源的光引导到所述多像素数字颜色传感器的方向；
-样本空间，提供在所述多像素数字颜色传感器与所述光导的部分之间，用于要确定状态的所述植物的至少部分的插入；
-处理单元，配置用于至少控制所述多像素数字颜色传感器和所述光源，
其中所述样本空间在使用时是开放的样本空间，与环境空气和光接触。
2.根据权利要求1所述的手持设备，其中所述设备是计算和/或通信设备，诸如智能手机、膝上型电脑或平板电脑，并且其中所述多像素数字颜色传感器是所述手持设备的部分。
3.根据权利要求1或2所述的手持设备，其中所述样本空间是拆分体。
4.根据前述权利要求中任一项所述的手持设备，其中所述样本空间允许要确定状态的所述植物的未处理部分的插入。
5.根据前述权利要求中任一项所述的手持设备，其中所述多像素数字颜色传感器选自CMOS图像传感器和CCD图像传感器。
6.根据前述权利要求中任一项所述的手持设备，其中所述光源是所述手持设备的闪光灯。
7.根据前述权利要求中任一项所述的手持设备，其中所述光导包括光扩散器，所述光扩散器优选地包括扩散半透明材料。
8.根据前述权利要求中任一项所述的手持设备，其中所述光导可拆卸地附接到所述手持设备。
9.根据前述权利要求中任一项所述的手持设备，其中所述光导是所述手持设备的盖的部分。
10.根据前述权利要求中任一项所述的手持设备，其中所述处理单元被配置用于控制所述多像素数字颜色传感器并且用于开启和关闭所述光源，并且被配置用于在所述光源开启的情况下获得植物部分的第一图像，以及在所述光源关闭的情况下获得所述植物部分的第二图像。
11.根据前述权利要求中任一项所述的手持设备，其中所述多像素数字颜色传感器被配置用于至少获得红色（R）、绿色（G）和蓝色（B）颜色分量，一起形成颜色分量的集合，其中所述处理单元被配置用于至少执行以下操作：
（i）对于所述颜色分量的第一个，确定代表所述第一图像和所述第二图像的强度值的差异的第一颜色值；
（ii）对于所述颜色分量的第二个，确定代表所述第一图像和所述第二图像的强度值的差异的第二颜色值；
（iii）使用所述第一颜色值和所述第二颜色值来计算代表植物状态的值。
12.根据权利要求11所述的手持设备，其中所述处理单元还被配置用于对于所述颜色分量的第三个确定代表所述第一图像和所述第二图像中的强度值的差异的第三颜色值；并且使用所述第一颜色值、所述第二颜色值和所述第三颜色值来计算代表所述植物状态的值。
13.根据权利要求11所述的手持设备，其中所述处理单元被配置用于在步骤（iii）中，基于所述第一颜色值和所述第二颜色值的比率来计算代表所述植物状态的所述值。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的手持设备，其中所述处理单元被配置用于校准所述第一颜色值、第二颜色值和可选的第三颜色值。
15.根据权利要求11至14中任一项所述的手持设备，其中所述处理单元被配置为使用至少一种颜色分量，该颜色分量与其他颜色分量相比对所述植物状态的改变较不灵敏。
16.根据权利要求10或从属于权利要求10的权利要求11至15中任一项所述的手持设备，其中所述处理单元被配置用于响应于单个用户命令来获得所述第一图像和第二图像。
17.根据前述权利要求中任一项所述的手持设备，所述设备还包括通信单元，所述通信单元被配置用于将所述植物的所确定状态或从所确定状态中导出的参数传达给施用器系统，诸如施肥系统、加肥灌溉系统或灌溉系统。
18.一种农业系统，包括根据权利要求17所述的手持设备和与所述设备通信的施用器系统，诸如施肥系统、加肥灌溉系统或灌溉系统。
19.一种用于智能手机、膝上型电脑或平板电脑的壳体，至少包括多像素数字颜色传感器和光源，所述多像素数字颜色传感器和所述光源被布置在基本相同的平面中，所述壳体包括：
-光导，用于将来自所述光源的光引导到所述多像素数字颜色传感器的方向，
-样本空间，提供在所述多像素数字颜色传感器与所述光导的部分之间，用于将要确定状态的所述植物的至少部分的插入；
其中所述样本空间在使用时是开放的样本空间，与环境空气和光接触。
20.一种用于确定植物状态的计算机程序产品，其包括软件代码部分，所述软件代码部分被配置用于当在可编程设备上执行时，来辅助用户在需要确定所述植物状态时响应于单个用户命令以：
-在设备的光源使用所述光导将宽带照明透射通过植物部分进入多像素数字颜色传感器时，利用所述设备的多像素数字颜色传感器获得植物的部分的第一图像，
-在所述光源不照明所述植物部分时，利用所述多像素数字颜色传感器获得所述植物部分的第二图像，以及
-通过以下步骤计算植物状态：
（i）对于颜色分量中的第一个，确定代表所述第一图像和所述第二图像的强度值的差异的第一颜色值；
（ii）对于颜色分量中的第二个，确定代表所述第一图像和所述第二图像的强度值的差异的第二颜色值；以及
（iii）使用所述第一颜色值和所述第二颜色值来计算代表所述植物状态的值。
21.一种根据权利要求19所述的壳体与用于获得和/或许可根据权利要求20所述的计算机程序产品的令牌的组合体。
22.一种用于使用设备确定植物状态的方法，所述设备包括：多像素数字颜色传感器，配置用于获得彩色图像，所述彩色图像至少包括红色（R）、绿色（G）和蓝色（B）颜色分量，一起形成颜色分量的集合；光源，布置用于将宽带照明提供到所述多像素数字颜色传感器中；以及处理单元，所述方法包括：
-在所述光源将所述宽带照明通过植物部分透射到所述多像素数字颜色传感器时，使用所述多像素数字颜色传感器获得所述植物的部分的第一图像，
-在所述光源不照明所述植物部分时，使用所述多像素数字颜色传感器获得所述植物部分的第二图像，以及
-通过使所述处理单元执行以下步骤来计算植物状态：
（i）对于所述颜色分量的第一个，确定代表所述第一图像和所述第二图像的强度值的差异的第一颜色值；
（ii）对于所述颜色分量的第二个，确定代表所述第一图像和所述第二图像的强度值的差异的第二颜色值；以及
（iii）使用所述第一颜色值和所述第二颜色值来计算代表所述植物状态的值。
23.根据权利要求22所述的方法，包括基于步骤（iii）计算的所述值采取动作，诸如灌溉、施肥、收获、遮蔽（例如避开阳光），通风和/或加热。
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