CN112104792B - 一种自动根系扫描仪及扫描仪图像处理方法 - Google Patents

一种自动根系扫描仪及扫描仪图像处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及植物根系观察领域，尤其涉及一种自动根系扫描仪，结构简单，不需要通过转动即可实现根系图像的获取。一种自动根系扫描仪，包括扫描装置、传动装置与外壳，所述扫描装置与外壳底部连接，所述传动装置设置在外壳内，所述扫描装置包括管壳与摄像头组件，所述摄像头组件可升降地设置在管壳内，所述传动装置包括丝杠与滑块，所述滑块与丝杠螺纹连接，所述丝杠与管壳轴线平行，所述滑块与摄像头组件顶部固连，所述摄像头组件固连广角摄像头。通过广角摄像头解决了传统摄像头拍摄角度有限的问题，摄像头仅通过丝杠的驱动即可完成整个的图像获取过程。

Description

一种自动根系扫描仪及扫描仪图像处理方法
技术领域
本发明涉及植物根系观察领域，尤其涉及一种自动根系扫描仪及扫描仪图像处理方法。
背景技术
长期以来，对根系生长情况的观测方法有很多，例如挖掘法、分根移位法、微根管法等，其中，微根管法破坏小，可以在不影响根系生长过程的前提下对根系的生长发育变化进行观测。但是现有的微根管法采用的装置中，在摄像头采集图像时，通常使用一个或多个摄像头向装置的侧面拍摄，以获得侧面的图像，因此摄像头除了需要沿扫描设备的轴向进行直线移动外，还需要通过转动的方式来获取360度的图像，因此摄像头的驱动装置也需要能够实现转动。
公开号为CN103685845A的中国发明专利申请公开文本中记载了一种根系图像扫描装置，通过电机驱动图像传感器进行植物根系的扫描，其中图像传感器需要通过驱动装置来实现转动，传感器运动方式复杂，因此驱动装置的设计也相应变得复杂，导致设备的体积较大，且成本较高。
发明内容
针对现有技术的上述不足，本发明提供一种自动根系扫描仪及扫描仪图像处理方法，使用简单，不需要通过转动即可实现根系图像的获取。
本发明提供方案如下：
一种自动根系扫描仪，包括扫描装置、传动装置与外壳，所述扫描装置与外壳底部连接，所述传动装置设置在外壳内，所述扫描装置包括管壳与摄像头组件，所述摄像头组件可升降地设置在管壳内，所述传动装置包括丝杠与滑块，所述滑块与丝杠螺纹连接，所述丝杠与管壳轴线平行，所述滑块与摄像头组件顶部固连，所述摄像头组件固连广角摄像头。通过广角摄像头解决了传统摄像头拍摄角度有限的问题，摄像头仅通过丝杠的驱动即可完成整个的图像获取过程。管壳透明，广角摄像头可以透过管壳拍摄外界的图像。
优选的，所述广角摄像头与电路板连接，所述电路板设置在摄像头组件内部，所述电路板位于摄像头组件中部，与摄像头组件的顶部与底部均留有空隙。摄像头需要通过电路板驱动，将电路板靠近摄像头安装，减少了走线，电路板与摄像头组件之间留有空隙能方便散热。摄像头组件分为上下两部分，电路板设置在两部分之间，此设计便于装配。电路板包括摄像头电路板与补光电路板，摄像头电路板用于驱动摄像头工作，补光电路板设有补光灯，在摄像头拍摄时可以发亮，提高拍摄的清晰度。
优选的，所述广角摄像头的指向与管壳的延伸方向平行或同轴。广角摄像头仅需要向扫描仪末端的尖头方向拍摄，即可通过广角来获取周围的图像。
优选的，所述传动装置包括推杆，所述推杆与丝杠平行，与外壳滑动连接，所述推杆一端与滑块固连，另一端与摄像头组件顶部固连。在扫描装置中为了具有较深的扫描范围，管壳长度需要增加，采用推杆可以驱动摄像头组件在管壳内部进行大深度的往复运动。
优选的，所述推杆为空心管，与摄像头组件内部连通。推杆在连接驱动摄像头组件的同时，还可以用于引出摄像头连接的线缆。
优选的，所述滑块与外壳通过导轨滑动连接。当滑块远离扫描装置时，推杆与外壳的滑动连接处距离滑块较远，不利于其直线其运动，设置导轨后可以提高滑块与推杆的稳定性。
优选的，所述外壳设有拖链，所述摄像头组件连接导线，所述导线一端连接摄像头组件，另一端依次经过推杆与拖链。由于推杆长度较长，设置拖链后可以在滑块与推杆运动时，导线折叠的部分能够得到约束，不易打结或勾连到其他元件上。
优选的，所述外壳设有行程开关，所述滑块在运动过程中能够触发行程开关。行程开关用于检测滑块运动的极限位置，防止滑块运动过度与其他零部件干涉。
优选的，还包括安装板，所述传动装置通过安装板与外壳连接。在生产装配过程中，可以先将传动装置的各个部件安装到安装板上，再将安装板安装到外壳上，便于装配及后期的检修。
优选的，所述外壳底部设有底座，所述管壳穿过底座与外壳，上端与外壳固连。底座方便使用时更平稳的放置于地面，同时能升高外壳，增加离地间隙，减少水与湿气对外壳内元件的影响。
优选的，所述外壳设有加强筋。
一种扫描仪图像处理方法，使用了上述的一种自动根系扫描仪，包括以下步骤：
S1：启动根系扫描仪，通过广角摄像头采集视频图像；
S2：将视频图像文件由H265格式转换为MP4格式并上传至预设的服务器的默认地址；
S3：在服务器中对接收到的MP4格式的视频图像文件按照预设时间间隔进行截帧，经过筛选保存为有效图片；
S4：分别对每张图片使用预设的环形模版截取出的环形的有效信息区域，并保存为环状图片；
S5：将每张环状图片做展开处理，生成矩形图片；
S6：使用预设的拼接方法对矩形图片做拼接处理，得到全景根系扫描图片。
优选的，所述步骤S2具体为：
使用Jquery架构的ajaxPost请求将需要视频图像文件文件发送至预设处理程序，
预设处理程序启动内置OpenCV图像处理工具的视频格式转换功能，将视频图像文件由H265格式转换为MP4格式，并存储到预设服务器的默认地址。
优选的，所述步骤S3包括：
使用OpenCV图像处理工具按照预设时间间隔为视频图像文件截取视频帧，并保存为初始图片，所述初始图片按照截取顺序命名；
将初始图片中与预设的无效帧段对应的图片做删除处理，剩余的初始图片保存为有效图片。
优选的，所述预设的环形模版的截取区域为鹰眼广角摄像头拍摄视野中15°-35°和145°-165°区域。
优选的，所述S5具体为：
将每张环状图片展开，使用双线性插值算法处理后生成对应的矩形图片。
优选的，所述预设的拼接方法包括：
以每张矩形图片左上角的端点为参照点，建立坐标轴，定义第一张矩形图片的参照点坐标为(0,0)；
根据自动根系扫描系统获取的相邻矩形图片向下的位移量size相同，将第二张矩形图片的参照点坐标设为(0，0-size)；
使用OpenCV图像处理工具按照坐标位置进行第一张矩形图片和第二张矩形图片的拼接；第二张矩形图片覆盖第一张图片上，拼接完成后的图片命名的m1；
将第三张矩形图片的参照点坐标设为(0，0-2size)，将第三张图片拼接在m1上，拼接完成后的图片命名的m1；
依次类推，第N张图片的坐标点为(0，0-(N-1)size)，拼接完成后的图片命名的m1；
若所有矩形图片均被拼接，当前m1即为全景根系扫描图片。
本发明具有以下有益效果：
1.采用广角摄像头，摄像头在采集图像的过程中不需要进行转动，仅通过直线运动即可采集周围360度的图像，简化了设备的运动机构，使得本发明更加轻便易用，且成本更低；
2.相机安装组件还用来设置电路板，并且充分利用了空间，并且电路板在相机安装组件内的安装利于散热；
3.采用推杆结构驱动摄像头组件，可以为摄像头组件提供更大的运动范围，并且推杆与滑块连接，具有多处限位，保证了推杆运动的稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明结构示意图；
图2是摄像头组件外形示意图；
图3是摄像头组件结构示意图；
图4是驱动装置结构示意图。
图中：1-外壳，2-管壳，3-摄像头组件，4-广角摄像头，5-丝杠，6-电机，7-滑块，8-安装板，9-推杆，11-连接板，12-行程开关，13-底座，14-卡箍，15-走线槽，16-控制模块，17-通信模块，18-拖链，41-摄像头电路板，42-补光电路板，81-导轨。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
如图1～图4所示，本实施例中提供一种自动根系扫描仪，包括扫描装置、传动装置与外壳1，扫描装置与外壳1底部连接，传动装置设置在外壳1内，扫描装置包括管壳2与摄像头组件3，摄像头组件3可升降地设置在管壳2内，传动装置包括丝杠5与滑块7，滑块7与丝杠5螺纹连接，丝杠5与管壳2轴线平行，滑块7与摄像头组件3顶部固连，摄像头组件3固连广角摄像头4。
广角摄像头4与电路板连接，电路板设置在摄像头组件3内部，电路板位于摄像头组件3中部，与摄像头组件3的顶部与底部均留有空隙。广角摄像头4的指向与管壳2的延伸方向平行或同轴。电路板包括摄像头电路板41与补光电路板42，摄像头电路板41用于驱动广角4摄像头工作，补光电路板42设有补光灯。
传动装置包括推杆9，推杆9与丝杠5平行，与外壳1滑动连接，推杆9一端与滑块7固连，另一端与摄像头组件3顶部固连。推杆9为空心管，与摄像头组件3内部连通。传动装置设置在安装板8上，安装板8与外壳连接，安装板8设有导轨81，滑块7与导轨81滑动连接。壳体1设置有连接板11，丝杠5一端与连接板11转动连接，另一端连接电机6，推杆9穿过连接板11并与连接板11滑动连接。摄像头组件3连接导线，外壳1设有拖链18，导线一端连接摄像头组件3，另一端依次经过推杆9与拖链18后连接到其他元件或外壳1的外部。
外壳1设有行程开关12，滑块7在运动过程中能够触发行程开关12。外壳1底部设有底座13，管壳2穿过底座13与外壳1，外壳1底部设有卡箍14，管壳2上端与卡箍14固连。外壳1设有加强筋。外壳1内部设有走线槽15、控制模块16与通信模块17。
本发明工作原理如下：
电机6转动可以带动丝杠5旋转，丝杠5驱动滑块7沿直线运动，推杆9随滑块7一同运动并使摄像头组件3沿直线运动，广角摄像头41可以在运动过程中连续拍摄，对植物的根系进行扫描。
一种扫描仪图像处理方法，使用了上述的一种自动根系扫描仪，包括以下步骤：
S1：启动根系扫描仪，通过广角摄像头采集视频图像。
S2：使用Jquery架构的ajaxPost请求将需要视频图像文件文件发送至预设处理程序，预设处理程序启动内置OpenCV图像处理工具的视频格式转换功能，将视频图像文件由H265格式转换为MP4格式，并存储到预设服务器的默认地址。
S3：使用OpenCV图像处理工具按照预设时间间隔为视频图像文件截取视频帧，并保存为初始图片，初始图片按照截取顺序命名；
将初始图片中与预设的无效帧段对应的图片做删除处理，剩余的初始图片保存为有效图片。
S4：分别对每张图片使用预设的环形模版截取出的环形的有效信息区域，并保存为环状图片，预设的环形模版的截取区域为鹰眼广角摄像头拍摄视野中15°-35°和145°-165°区域。
S5：将每张环状图片展开，使用双线性插值算法处理后生成对应的矩形图片。
S6：使用预设的拼接方法对矩形图片做拼接处理，得到全景根系扫描图片。
预设的拼接方法包括：
以每张矩形图片左上角的端点为参照点，建立坐标轴，定义第一张矩形图片的参照点坐标为(0,0)；
根据自动根系扫描系统获取的相邻矩形图片向下的位移量size相同，将第二张矩形图片的参照点坐标设为(0，0-size)；
使用OpenCV图像处理工具按照坐标位置进行第一张矩形图片和第二张矩形图片的拼接；第二张矩形图片覆盖第一张图片上，拼接完成后的图片命名的m1；
将第三张矩形图片的参照点坐标设为(0，0-2size)，将第三张图片拼接在m1上，拼接完成后的图片命名的m1；
依次类推，第N张图片的坐标点为(0，0-(N-1)size)，拼接完成后的图片命名的m1；
若所有矩形图片均被拼接，当前m1即为全景根系扫描图片。
尽管通过参考附图并结合优选实施例的方式对本发明进行了详细描述，但本发明并不限于此。在不脱离本发明的精神和实质的前提下，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求所述的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种扫描仪图像处理方法，包括扫描装置、传动装置与外壳，所述扫描装置与外壳底部连接，所述传动装置设置在外壳内，所述扫描装置包括管壳与摄像头组件，所述摄像头组件可升降地设置在管壳内，其特征在于：所述传动装置包括丝杠与滑块，所述滑块与丝杠螺纹连接，所述丝杠与管壳轴线平行，所述滑块与摄像头组件顶部固连，所述摄像头组件固连广角摄像头，所述广角摄像头与电路板连接，所述电路板设置在摄像头组件内部，所述电路板位于摄像头组件中部，与摄像头组件的顶部与底部均留有空隙，所述传动装置包括推杆，所述推杆与丝杠平行，与外壳滑动连接，所述推杆一端与滑块固连，另一端与摄像头组件顶部固连；包括以下步骤：
S1：启动根系扫描仪，通过广角摄像头采集视频图像；
S2：将视频图像文件上传至预设的服务器的默认地址；
S3：在服务器中对接收到的视频文件按照预设时间间隔进行截帧，经过筛选保存为有效图片；
S4：分别对每张图片使用预设的环形模版截取出的环形的有效信息区域，并保存为环状图片；
S5：将每张环状图片做展开处理，生成矩形图片；
S6：使用预设的拼接方法对矩形图片做拼接处理，得到全景根系扫描图片；
所述预设的拼接方法包括：
以每张矩形图片左上角的端点为参照点，建立坐标轴，定义第一张矩形图片的参照点坐标为（0，0）；
根据自动根系扫描系统获取的相邻矩形图片向下的位移量size相同，将第二张矩形图片的参照点坐标设为（0，0-size）；
使用OpenCV图像处理工具按照坐标位置进行第一张矩形图片和第二张矩形图片的拼接；第二张矩形图片覆盖第一张图片上，拼接完成后的图片命名的m1；
将第三张矩形图片的参照点坐标设为（0，0-2size），将第三张图片拼接在m1上，拼接完成后的图片命名的m1；
依次类推，第N张图片的坐标点为（0，0-（N-1）size），拼接完成后的图片命名的m1；
若所有矩形图片均被拼接，当前m1即为全景根系扫描图片。
2.根据权利要求1所述的一种扫描仪图像处理方法，其特征在于：所述广角摄像头的指向与管壳的延伸方向平行或同轴。
3.根据权利要求1所述的一种扫描仪图像处理方法，其特征在于：所述推杆为空心管，与摄像头组件内部连通。
4.根据权利要求1或3所述的一种扫描仪图像处理方法，其特征在于：所述滑块与外壳通过导轨滑动连接。
5.根据权利要求1或3所述的一种扫描仪图像处理方法，其特征在于：所述外壳设有拖链，所述摄像头组件连接导线，所述导线一端连接摄像头组件，另一端依次经过推杆与拖链。
6.根据权利要求1或3所述的一种扫描仪图像处理方法，其特征在于：所述外壳设有行程开关，所述滑块在运动过程中能够触发行程开关。
7.根据权利要求1或3所述的一种扫描仪图像处理方法，其特征在于：还包括安装板，所述传动装置通过安装板与外壳连接。
8.根据权利要求1所述的一种扫描仪图像处理方法，其特征在于：所述外壳底部设有底座，所述管壳穿过底座与外壳，上端与外壳固连。
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