CN112461135B - 一种石斛生长参数无损在线测定装置及其测定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种石斛生长参数无损在线测定装置，包括机架、传送机构、升降电机、旋转电机、拍摄架、侧视拍摄装置、俯视拍摄装置、转盘、托盘和到位传感器；传送机构和升降电机均安装于机架上，传送机构包括两条传送带，两条传送带之间具有间距，托盘放置于两条传送带上，升降电机位于传送机构的下方，升降电机的伸缩杆位于间距内，旋转电机的伸缩杆上安装旋转电机，旋转电机与转盘连接，升降电机的伸缩杆伸缩带动转盘托起托盘至拍摄高度，托盘上放置石斛花盆；拍摄架安装于机架且位于升降电机的侧面，侧视拍摄装置和俯视拍摄装置分别安装于拍摄架上，侧视拍摄装置用以拍摄石斛的侧视图，俯视拍摄装置用以拍摄石斛的俯视图。

Description

一种石斛生长参数无损在线测定装置及其测定方法
技术领域
本发明涉及植株生长参数测定技术领域，特别涉及一种石斛生长参数无损在线测定装置及其测定方法。
背景技术
早在二十世纪七十年代，机器视觉技术就被运用于农业相关领域，现阶段，机器视觉在农业上主要应用于生长状况监测，产品品质监测与分级，自动化生产等领域。山东理工大学的王加强(2008)研究了利用机器视觉测量组培苗的生长数据，通过数码相机捕获图片，图片经过计算机程序算法处理，在计算机上构建包含组培苗高度等其他数据的组培苗3D模型，计算机再自动计算出组培苗的各项数据。南京农业大学的Guoxiang Sun et al.(2019)研究了黄瓜参数在线无损测量技术，运用图像处理技术把从相机获取的黄瓜俯视图分割后计算出其面积和其他参数，并于实际测得的数据相比较，反向推演建立出黄瓜的模型，再从模式中计算出黄瓜茎的高度、半径、叶片数量、结果数量。中国农业大学的朱德利等(2018)研究出了一个可获取玉米粒三维特征的考种装置，将玉米粒放置于该装置的两块垂直的标定板间，利用透视变换获取玉米粒不同角度的图像，再通过图像处理测量其长、宽、高，可获取和分析脱穗之后的玉米种粒三维特征。中国农业部的韩东等(2018)研究了玉米雄穗3D外形数据自动的测量，使用相机从多个角度拍摄玉米雄穗，经计算机程序算法处理重构其3D点云模型，模型包含有玉米雄穗的外型信息，通过算法可计算出需要的数据，提取到玉米雄穗外形的相关数据。挪威科技大学的Eirik B.Njaastad et al.(2019)采用光谱形状分析法检测大型船舶的螺旋桨，在场景中获取图像，先使用Laplace-Beltrami算子识别出场景中的螺旋桨叶片，分析叶片的光谱形状，与标准螺旋桨叶片模型比较，确定螺旋桨具体位置和方向，再使用3D摄像机拍摄螺旋桨，检测螺旋桨是否符合标准。华南理工大学的Gangfeng Xiao et al.(2019)研究了精度测量锥形旋转工件尺寸方法，采集工作中旋转的圆锥形工件图像，提取感兴趣区域后经过图像处理检查出圆锥的边缘，再编写程序算法，计算测量出圆锥形工件的表型参数。
目前，利用机器视觉实现自动测量的应用较多的是在工业上，对于农作物来说，不同于工业上每一产品形状、大小都相同，农作物同一品种只是外形大致相似，实则细节大不相同，测量难度较高。针对不同的研究对象，利用机器视觉实现自动测量的实际方法差异很大，需要根据研究物体的特征编写计算机程序算法以获取参数。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种石斛生长参数无损在线测定装置，解决了现有利用机器视觉实现农作物自动测量难度较高的问题。
本发明的另一目的在于，提供一种上述石斛生长参数无损在线测定装置的测定方法。
本发明的技术方案为：一种石斛生长参数无损在线测定装置，包括机架、传送机构、升降电机、旋转电机、拍摄架、侧视拍摄装置、俯视拍摄装置、转盘、托盘和到位传感器；
所述传送机构和升降电机均安装于机架上，传送机构包括两条传送带，两条传送带之间具有间距，托盘放置于两条传送带上，升降电机位于传送机构的下方，升降电机的伸缩杆位于间距内，旋转电机的伸缩杆上安装旋转电机，旋转电机与转盘连接，升降电机的伸缩杆伸缩带动转盘托起托盘至拍摄高度，托盘上放置石斛花盆；
拍摄架安装于机架且位于升降电机的侧面，侧视拍摄装置和俯视拍摄装置分别安装于拍摄架上，侧视拍摄装置用以拍摄石斛的侧视图，俯视拍摄装置位于石斛的上方，用以拍摄石斛的俯视图；
到位传感器安装于机架上，到位传感器与升降电机电性连接，到位传感器检测到托盘传送至升降电机上方时，到位传感器输出信号至升降电机，驱动升降电机运动。
进一步，所述拍摄架包括安装板和支撑杆，所述安装板固定至机架，支撑杆的底端垂直连接安装板，侧视拍摄装置包括第一滑块、第一水平滑杆和平面相机，俯视拍摄装置包括第二滑块、第二水平滑杆和深度相机，第一滑块和第二滑块均与支撑杆滑动连接，第二滑块位于第一滑块上方，第一水平滑杆与第一滑块滑动连接，第二水平滑杆与第二滑块滑动连接，深度相机与第二水平滑杆远离第二滑块的一端连接，深度相机位于石斛的上方，平面相机与第一水平滑杆远离第一滑块的一端连接，平面相机位于石斛的侧面。通过设置第一滑块和第二滑块，用以调节平面相机和深度相机的水平高度，通过设置第一水平滑杆和第二水平滑杆，用以调节平面相机和深度相机的拍摄位置。
进一步，还包括锁紧机构，所述第一滑块和第二滑块上均通过锁紧机构定位于支撑杆，第一水平滑杆通过锁紧机构定位于第一滑块，第二水平滑杆通过锁紧机构定位于第二滑块。
进一步，还包括光源板，所述光源板与机架连接，光源板位于拍摄架的对侧，升降电机位于光源板和拍摄架之间，石斛花盆处于拍摄高度时，石斛花盆的底部与光源板的底边平齐。通过设置光源板，确保拍摄时获取清晰的植物外观轮廓，为精确测量石斛外形尺寸提供基础。
进一步，所述传送机构还包括传送电机、主动轴、从动轴、主动轮和从动轮，主动轴与传送电机连接，主动轴和从动轴分别通过轴承安装于机架的两端，两个主动轮间隔安装于主动轴，两个从动轮间隔安装于从动轴，一个主动轮和一个从动轮之间通过传送带连接。
进一步，所述到位传感器为安装于机架两侧的对射传感器。
本发明的另一技术方案为：一种上述石斛生长参数无损在线测定装置的测定方法，包括以下步骤：
步骤S1：将托盘放置于传送机构上，石斛花盆放置于托盘上，到位传感器检测到托盘传送至升降电机上方时，传送机构停止运行，到位传感器输出信号至升降电机，驱动升降电机运动，升降电机的伸缩杆伸出使转盘托起托盘至拍摄高度；
步骤S2：侧视拍摄装置和俯视拍摄装置分别对石斛进行拍摄后，旋转电机工作带动转盘转动，转盘转动带动托盘转动，再进行一次拍摄，直至石斛旋转360°；
步骤S3：石斛拍摄完成完成，升降电机的伸缩杆下降，使托盘放回传送带上，然后传送机构启动，将拍摄完的石斛传送走，直至下一个石斛到达升降电机上方；
步骤S4：侧视拍摄装置拍摄石斛的侧视图，通过测量侧视图得到石斛的株高、茎高、茎粗和叶片数量，除冠幅最大外其余角度的图像处理结果均放弃，仅保留冠幅值最大时的侧视图图像处理结果，作为此株石斛侧视图参数的测量结果；俯视拍摄装置拍摄石斛的俯视图，通过测量俯视图得到从上往下数第二片功能叶片的叶长、叶宽和叶面积，测得的叶面积、叶长和叶宽做平均处理，作为第二功能叶片的最终叶面积、叶长和叶宽。
进一步，步骤S4中，通过最小矩形法识别石斛的冠幅；通过叶片生长点的识别，统计叶片数目；通过叶片生长点的识别，将叶片从植株图像中去除，再次利用最小矩形法提取其株高；再通过从根部到茎尖位置的逐次等距离环切，提取最大切面值作为其茎粗。
进一步，步骤S4中，利用深度点云直通滤波、去噪，点云旋转和曲面重构，计算重构曲面面积，继而根据重构曲面沿X轴和Y轴的单方向重构曲面矩形边累加和最大值确定叶长和叶宽。
进一步，步骤S2中，所述转盘每转动10°，侧视拍摄装置和俯视拍摄装置均进行一次拍摄。
本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：
(1)利用了机器视觉方法实现了石斛生长参数的自动、无损、快速提取，解决了目前企业采用人工方式抽测存在局限的问题。
(2)利用平面相机实现了石斛多角度侧视图的拍摄，通过转盘旋转获得了最佳角度图像，根据所选取最佳侧视图作为叶片数，株高、茎高、茎粗和茎厚参数的提取，提取结果更准确。
(3)利用深度点云提取第二功能叶片的叶长、叶宽和叶面积等参数，第二功能叶会因为植株的高度不同所处位置不同，由于采用深度图像，因此其采集结果不因叶片生长高度的不同产生大的误差，避免使用平面相机所造成的大的误差。采用深度图像能获得石斛的空间信息，测量结果更可靠。
(4)利用平面相机和深度相机的图像结果，可实现石斛生长参数无损、快速、高精度提取，避免的人工测量的低速、主观性强等缺点，保障石斛生产的顺利开展。
附图说明
图1为本发明的石斛生长参数无损在线测定装置的结构示意图。
图2为本发明的石斛生长参数无损在线测定装置的侧视图。
图3为本发明的升降电机、旋转电机、转盘和托盘的连接示意图。
图4为本发明的侧视拍摄装置、俯视拍摄装置与拍摄架的连接示意图。
机架1、升降电机2、伸缩杆21、旋转电机3、转盘4、托盘5、定位凹槽51、到位传感器6、光源板7、传送带8、主动轴9、从动轴10、间距11、安装板12、支撑杆13、第一滑块14、第一水平滑杆15、平面相机16、第二滑块17、第二水平滑杆18、深度相机19、锁紧机构20。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图1、图2和图3所示，本实施例一种石斛生长参数无损在线测定装置，包括机架1、传送机构、升降电机2、旋转电机3、拍摄架、侧视拍摄装置、俯视拍摄装置、转盘4、托盘5、到位传感器6和光源板7。
如图1和图2所示，传送机构和升降电机均安装于机架上，传送机构包括传送电机、传送带8、主动轴9、从动轴10、主动轮和从动轮，主动轴与传送电机连接，主动轴和从动轴分别通过轴承安装于机架的两端，两个主动轮间隔安装于主动轴，两个从动轮间隔安装于从动轴，一个主动轮和一个从动轮之间通过传送带连接，两条传送带之间具有间距11。
如图1和图3所示，托盘放置于两条传送带上，升降电机位于传送带的下方，升降电机的伸缩杆21位于间距内，旋转电机的伸缩杆上安装旋转电机，旋转电机与转盘连接，升降电机的伸缩杆伸缩带动转盘托起托盘至拍摄高度，托盘上放置石斛花盆，托盘上设有定位凹槽51，用以放置石斛花盆。旋转电机和转盘均可随伸缩杆在间距内活动。
如图1和图4所示，拍摄架安装于机架且位于升降电机的侧面，拍摄架包括安装板12和支撑杆13，安装板固定至机架，支撑杆的底端垂直连接安装板，侧视拍摄装置包括第一滑块14、第一水平滑杆15和平面相机16，俯视拍摄装置包括第二滑块17、第二水平滑杆18和深度相机19，第一滑块和第二滑块均与支撑杆滑动连接，第二滑块位于第一滑块上方，第一水平滑杆与第一滑块滑动连接，第二水平滑杆与第二滑块滑动连接，深度相机与第二水平滑杆远离第二滑块的一端连接，深度相机位于石斛的上方，平面相机与第一水平滑杆远离第一滑块的一端连接，平面相机位于石斛的侧面。通过设置第一滑块和第二滑块，用以调节平面相机和深度相机的水平高度，通过设置第一水平滑杆和第二水平滑杆，用以调节平面相机和深度相机的拍摄位置。
如图4所示，第一滑块和第二滑块上均通过锁紧机构20定位于支撑杆，第一水平滑杆通过锁紧机构定位于第一滑块，第二水平滑杆通过锁紧机构定位于第二滑块，在本实施例中，锁紧机构为调节螺栓，通过转动调节螺栓的松紧来实现各部件之间的定位。
如图1和图2所示，光源板与机架连接，光源板位于拍摄架的对侧，升降电机位于光源板和拍摄架之间，石斛花盆处于拍摄高度时，石斛花盆的底部与光源板的底边平齐。在本实施例中，光源板为白色背景光源板。
如图1和图2所示，到位传感器为安装于机架两侧的对射传感器，到位传感器与升降电机电性连接，到位传感器检测到托盘传送至升降电机上方时，到位传感器输出信号至升降电机，驱动升降电机运动。
上述石斛生长参数无损在线测定装置的测定方法，包括以下步骤：
步骤S1：将托盘放置于传送机构上，石斛花盆放置于托盘上，到位传感器检测到托盘传送至升降电机上方时，传送机构停止运行，到位传感器输出信号至升降电机，驱动升降电机运动，升降电机的伸缩杆伸出使转盘托起托盘至拍摄高度；
步骤S2：侧视拍摄装置和俯视拍摄装置分别对石斛进行拍摄后，旋转电机工作带动转盘转动，转盘转动带动托盘转动，再进行一次拍摄，直至石斛旋转360°；在本实施例中，转盘每转动10°，侧视拍摄装置和俯视拍摄装置均进行一次拍摄；
步骤S3：石斛拍摄完成完成，升降电机的伸缩杆下降，使托盘放回传送带上，然后传送机构启动，将拍摄完的石斛传送走，直至下一个石斛到达升降电机上方；
步骤S4：侧视拍摄装置拍摄石斛的侧视图，通过测量侧视图得到石斛的株高、茎高、茎粗和叶片数量，除冠幅最大外其余角度的图像处理结果均放弃，仅保留冠幅值最大时的侧视图图像处理结果，作为此株石斛侧视图参数的测量结果；俯视拍摄装置拍摄石斛的俯视图，通过测量俯视图得到从上往下数第二片功能叶片的叶长、叶宽和叶面积，测得的叶面积、叶长和叶宽做平均处理，作为第二功能叶片的最终叶面积、叶长和叶宽。
上述步骤S4中，通过最小矩形法识别石斛的冠幅；通过叶片生长点的识别，统计叶片数目；通过叶片生长点的识别，将叶片从植株图像中去除，再次利用最小矩形法提取其株高；再通过从根部到茎尖位置的逐次等距离环切，提取最大切面值作为其茎粗。利用深度点云直通滤波、去噪，点云旋转和曲面重构，计算重构曲面面积，继而根据重构曲面沿X轴和Y轴的单方向重构曲面矩形边累加和最大值确定叶长和叶宽。两者相结合就得到了单株石斛全面的生长参数，为石斛品质调控提供了快速、实时、无损的理论依据。
如上所述，便可较好地实现本发明，上述实施例仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围；即凡依本发明内容所作的均等变化与修饰，都为本发明权利要求所要求保护的范围所涵盖。

Claims (8)

1.一种石斛生长参数无损在线测定装置，其特征在于，包括机架、传送机构、升降电机、旋转电机、拍摄架、侧视拍摄装置、俯视拍摄装置、转盘、托盘和到位传感器；
所述传送机构和升降电机均安装于机架上，传送机构包括两条传送带，两条传送带之间具有间距，托盘放置于两条传送带上，升降电机位于传送机构的下方，升降电机的伸缩杆位于间距内，旋转电机的伸缩杆上安装旋转电机，旋转电机与转盘连接，升降电机的伸缩杆伸缩带动转盘托起托盘至拍摄高度，托盘上放置石斛花盆；
拍摄架安装于机架且位于升降电机的侧面，侧视拍摄装置和俯视拍摄装置分别安装于拍摄架上，侧视拍摄装置用以拍摄石斛的侧视图，俯视拍摄装置位于石斛的上方，用以拍摄石斛的俯视图；
到位传感器安装于机架上，到位传感器与升降电机电性连接，到位传感器检测到托盘传送至升降电机上方时，到位传感器输出信号至升降电机，驱动升降电机运动；
其中，石斛花盆置于所述托盘上随传送带运动，所述到位传感器检测到所述托盘传送至所述升降电机上方时，所述传送机构停止运行，所述到位传感器输出信号至所述升降电机，驱动所述升降电机运动，所述升降电机的伸缩杆伸出使所述转盘托起所述托盘至拍摄高度；
所述侧视拍摄装置和所述俯视拍摄装置分别对石斛进行拍摄后，所述旋转电机工作带动所述转盘转动，所述转盘转动带动所述托盘转动，再进行一次拍摄，直至石斛旋转360°；
石斛拍摄完成，所述升降电机的所述伸缩杆下降，使所述托盘放回所述传送带上，然后所述传送机构启动，将拍摄完的石斛传送走，直至下一个石斛到达所述升降电机上方；
所述侧视拍摄装置拍摄石斛的侧视图，通过测量侧视图得到石斛的株高、茎高、茎粗和叶片数量，除冠幅最大外其余角度的图像处理结果均放弃，仅保留冠幅值最大时的侧视图图像处理结果，作为此株石斛侧视图参数的测量结果；所述俯视拍摄装置拍摄石斛的俯视图，通过测量俯视图得到从上往下数第二片功能叶片的叶长、叶宽和叶面积，测得的叶面积、叶长和叶宽做平均处理，作为第二功能叶片的最终叶面积、叶长和叶宽；其中，通过最小矩形法识别石斛的冠幅；通过叶片生长点的识别，统计叶片数目；通过叶片生长点的识别，将叶片从植株图像中去除，再次利用最小矩形法提取其株高；再通过从根部到茎尖位置的逐次等距离环切，提取最大切面值作为其茎粗；利用深度点云直通滤波、去噪，点云旋转和曲面重构，计算重构曲面面积，继而根据重构曲面沿X轴和Y轴的单方向重构曲面矩形边累加和最大值确定叶长和叶宽。
2.根据权利要求1所述的石斛生长参数无损在线测定装置，其特征在于，所述拍摄架包括安装板和支撑杆，所述安装板固定至机架，支撑杆的底端垂直连接安装板，侧视拍摄装置包括第一滑块、第一水平滑杆和平面相机，俯视拍摄装置包括第二滑块、第二水平滑杆和深度相机，第一滑块和第二滑块均与支撑杆滑动连接，第二滑块位于第一滑块上方，第一水平滑杆与第一滑块滑动连接，第二水平滑杆与第二滑块滑动连接，深度相机与第二水平滑杆远离第二滑块的一端连接，深度相机位于石斛的上方，平面相机与第一水平滑杆远离第一滑块的一端连接，平面相机位于石斛的侧面。
3.根据权利要求2所述的石斛生长参数无损在线测定装置，其特征在于，还包括锁紧机构，所述第一滑块和第二滑块上均通过锁紧机构定位于支撑杆，第一水平滑杆通过锁紧机构定位于第一滑块，第二水平滑杆通过锁紧机构定位于第二滑块。
4.根据权利要求2所述的石斛生长参数无损在线测定装置，其特征在于，还包括光源板，所述光源板与机架连接，光源板位于拍摄架的对侧，升降电机位于光源板和拍摄架之间，石斛花盆处于拍摄高度时，石斛花盆的底部与光源板的底边平齐。
5.根据权利要求1所述的石斛生长参数无损在线测定装置，其特征在于，所述传送机构还包括传送电机、主动轴、从动轴、主动轮和从动轮，主动轴与传送电机连接，主动轴和从动轴分别通过轴承安装于机架的两端，两个主动轮间隔安装于主动轴，两个从动轮间隔安装于从动轴，一个主动轮和一个从动轮之间通过传送带连接。
6.根据权利要求1所述的石斛生长参数无损在线测定装置，其特征在于，所述到位传感器为安装于机架两侧的对射传感器。
7.一种权利要求1-6任一所述的石斛生长参数无损在线测定装置的测定方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：将托盘放置于传送机构上，石斛花盆放置于托盘上，到位传感器检测到托盘传送至升降电机上方时，传送机构停止运行，到位传感器输出信号至升降电机，驱动升降电机运动，升降电机的伸缩杆伸出使转盘托起托盘至拍摄高度；
步骤S2：侧视拍摄装置和俯视拍摄装置分别对石斛进行拍摄后，旋转电机工作带动转盘转动，转盘转动带动托盘转动，再进行一次拍摄，直至石斛旋转360°；
步骤S3：石斛拍摄完成，升降电机的伸缩杆下降，使托盘放回传送带上，然后传送机构启动，将拍摄完的石斛传送走，直至下一个石斛到达升降电机上方；
步骤S4：侧视拍摄装置拍摄石斛的侧视图，通过测量侧视图得到石斛的株高、茎高、茎粗和叶片数量，除冠幅最大外其余角度的图像处理结果均放弃，仅保留冠幅值最大时的侧视图图像处理结果，作为此株石斛侧视图参数的测量结果；俯视拍摄装置拍摄石斛的俯视图，通过测量俯视图得到从上往下数第二片功能叶片的叶长、叶宽和叶面积，测得的叶面积、叶长和叶宽做平均处理，作为第二功能叶片的最终叶面积、叶长和叶宽，其中，通过最小矩形法识别石斛的冠幅；通过叶片生长点的识别，统计叶片数目；通过叶片生长点的识别，将叶片从植株图像中去除，再次利用最小矩形法提取其株高；再通过从根部到茎尖位置的逐次等距离环切，提取最大切面值作为其茎粗；利用深度点云直通滤波、去噪，点云旋转和曲面重构，计算重构曲面面积，继而根据重构曲面沿X轴和Y轴的单方向重构曲面矩形边累加和最大值确定叶长和叶宽。
8.根据权利要求7所述的测定方法，其特征在于，步骤S2中，所述转盘每转动10°，侧视拍摄装置和俯视拍摄装置均进行一次拍摄。
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