CN204031343U - 一种单镜头多光谱昆虫辨识装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种单镜头多光谱昆虫辨识装置，包括：手持探头和视频眼镜，所述手持探头上设置有用于获取视频图像的摄像头、视频接口、白光灯、用于输出第一组昆虫-背景物的最大差异谱范围内的波长光线的第一LED灯、用于输出第二组昆虫-背景物的最大差异谱范围内的波长光线的第二LED灯、用于控制白光灯的亮灭及明暗状态的第一开关电位器、用于控制第一LED灯和第二LED灯的亮灭状态及的单刀双掷开关、用于控制第一LED灯和第二LED灯的明暗状态的电位器，及电池。在查验时，由第一LED灯或第二LED灯输出不同组的最大差异谱范围内的光线照射被测物体，增强昆虫与背景的反差，大大提高了昆虫的检出率。

Description

一种单镜头多光谱昆虫辨识装置

技术领域

本实用新型涉及昆虫识别技术领域，特别涉及一种单镜头多光谱昆虫辨识装置。

背景技术

在日常出入境植物检疫工作中，往往需要对货物进行检查，发现并捕捉其中的害虫，防止害虫随货物及运输工具传入国内，造成农林业的巨大损失。

由于很多害虫具有保护色，在普通白光下昆虫体色与货物相近，或者虫体斑驳的色彩与货物斑驳的色彩容易混淆，导致害虫难于被发现。目前查验时，敞开位置的货物靠日光或灯光照明，封闭位置的货物靠手电筒照明，其使用的光线均为白光，受到昆虫与背景混淆因素的干扰，无法提高害虫检出率。

实用新型内容

鉴于上述现有技术的不足之处，本实用新型的目的在于提供一种单镜头多光谱昆虫辨识装置，利用LED灯输出最大差异谱范围内的光线照射，使昆虫明显地区别于背景，从而提高昆虫检出率。

为了达到上述目的，本实用新型采取了以下技术方案：

一种单镜头多光谱昆虫辨识装置，其包括：手持探头和视频眼镜，所述手持探头上设置有用于获取视频图像的摄像头、视频接口、白光灯、用于输出第一组昆虫-背景物的最大差异谱范围内的波长光线的第一LED灯、用于输出第二组昆虫-背景物的最大差异谱范围内的波长光线的第二LED灯、用于控制白光灯的亮灭及明暗状态的第一开关电位器、用于控制第一LED灯和第二LED灯的亮灭状态的单刀双掷开关、用于控制第一LED灯和第二LED灯的明暗状态的电位器，及电池；所述摄像头的视频传输线通过视频接口连接视频眼镜，所述电池的正极连接摄像头的正极，摄像头的负极连接电池的负极；所述电池的正极通过第一开关电位器连接白光灯正极、还通过电位器连接单刀双掷开关的活动端，所述单刀双掷开关的第一固定端连接第一LED灯的正极，所述单刀双掷开关的第二固定端第二LED灯的正极，所述白光灯的负极、第一LED灯的负极和第二LED灯的负极连接电池的负极。

所述的单镜头多光谱昆虫辨识装置中，在摄像头的正极与电池的正极之间，或者在摄像头的负极与电池的负极之间，串联有摄像头电源开关。

所述的单镜头多光谱昆虫辨识装置中，所述手持探头中还设置有感光头和三极管；所述感光头的一端连接电池的正极，感光头的另一端连接三极管的基极，所述三极管的集电极连接电池的正极，三极管的发射极通过电位器连接单刀双掷开关的活动端。

所述的单镜头多光谱昆虫辨识装置中，所述第一LED灯和第二LED灯输出光线的波长不同。

所述的单镜头多光谱昆虫辨识装置中，所述摄像头为可接收从可光见至近红外波段光线的摄像头。

相较于现有技术，本实用新型提供的单镜头多光谱昆虫辨识装置，在查验时，通过单刀双掷开关选择由第一LED灯或者第二LED灯输出不同组昆虫-背景物的最大差异谱范围内的光线照射被测物体，增强昆虫与背景的反差，大大提高了昆虫的检出率。

附图说明

图1为本实用新型单镜头多光谱昆虫辨识装置中手持探头的结构示意图。

图2为本实用新型单镜头多光谱昆虫辨识装置的第一较佳实施例的电路图。

图3为本实用新型单镜头多光谱昆虫辨识装置的第二较佳实施例的电路图。

图4为本实用新型单镜头多光谱昆虫辨识装置的识别方法流程图。

图5为本实用新型单镜头多光谱昆虫辨识装置的识别方法中差异谱峰值范围波形示意图。

图6为本实用新型的识别方法中，16种水果的可见光-近红外反射光谱的示意图。

图7为本实用新型的识别方法中，桔小实蝇的可见光-近红外反射光谱的示意图。

图8为本实用新型的识别方法中，水果与桔小实蝇的可见光-近红外反射率差异谱的示意图。

具体实施方式

本实用新型提供一种单镜头多光谱昆虫辨识装置，适用于口岸现场进行集装箱、货车、火车、船及飞机查验，对其装载的农产品及其相关货物进行昆虫检测，并且适用于农田、果树、园林、绿化带、森林害虫的调查。

为使本实用新型的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本实用新型进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

请参阅图1和图2，本实用新型的单镜头多光谱昆虫辨识装置包括：手持探头10和视频眼镜（图中未示出），所述视频眼镜与手持探头10连接，用于接收视频图像展现在查验人员眼前。

其中，所述手持探头10上设置有摄像头101和视频接口102、白光灯D1、用于输出第一组昆虫-背景物的最大差异谱范围内的波长光线的第一LED灯D2、用于输出第二组昆虫-背景物的最大差异谱范围内的波长光线的第二LED灯D3、用于控制白光灯D1的亮灭和明暗状态的第一开关电位器KW1、用于控制第一LED灯D2和第二LED灯D3的亮灭状态的单刀双掷开关KW1、用于控制第一LED灯D2和第二LED灯D3的明暗状态的电位器R1、以及电池BAT。

所述第一开关电位器KW1和电位器R1为旋钮，其侧面具有齿，增加人手与第一开关电位器KW1和电位器R1之间的摩擦力，便于转动开关电位器。所述第一开关电位器KW1和电位器R1装设在手持探头的侧面或顶面上，以便于检验时调节该第一开关电位器KW1和电位器R1。

所述摄像头101、白光灯D1、第一LED灯D2和第二LED灯D3位于手持探头10的前端，便于照射待测区域及获取视频图像。所述摄像头101具有变焦功能，可手动调节焦距和对焦，通过调节适合的焦距获取清晰的图像，所述摄像头101的视频传输线通过视频接口连接视频眼镜，即视频眼镜也具有视频线，插入所述视频接口102中连接相应的摄像头。所述电池BAT的正极连接摄像头101的正极和的正极，摄像头101的负极连接电池BAT的负极。

所述电池BAT的正极通过第一开关电位器KW1连接白光灯D1的正极，白光灯D1的负极连接电池BAT的负极；还通过电位器R1连接单刀双掷开关的活动端，所述单刀双掷开关的第一固定端连接第一LED灯D2的正极，所述单刀双掷开关KW2的第二固定端第二LED灯D3的正极，第一LED灯D2的负极和第二LED灯D3的负极连接电池BAT的负极。

因为在查验时，查验人员需要切换白光灯D1、第一LED灯D2和第二LED灯D3，比较三种光谱照射下被摄物的表现，所述第一LED灯D2和第二LED灯D3均可更换，用于输出窄带波长的光线，该窄带波长位于不同组昆虫-背景物的最大差异谱范围内。所述第一LED灯和第二LED灯输出光线的波长不同，查验时通过单刀双掷开关KW2切换相应的LED灯照射，避免频繁更换LED灯。

其中，昆虫-背景物的最大差异谱范围内的光线可能是可见光也可能是不可见光，常用波长范围为780～1000nm，此波长范围内的光线可以增加昆虫与背景的反差，从而提高检出率。

由于市售的LED除白光外，大多是发出某个中心波长的窄带光，窄带光一般范围在几个至二、三十个纳米（nm）之内，中心波长是正弦分布能量的最高点。本实用新型测得部分昆虫和植物背景的差异谱最大值落在780～1000nm之内，然而还有一些昆虫-背景物的最大差异谱范围不在此范围内，所以采用中心波长落在各组最大差异谱范围的窄带LED，即能输出特定波长光线的第一LED灯和第二LED灯，而且根据不同组的最大差异谱范围，选择不同中心波长的LED灯作为第一LED灯和第二LED灯，安装在手持探头上，并在检测时，通过单刀双掷开关最终选择一个适合的LED灯照射待测区域，本实用新型主要使用中心波长是850nm的LED灯。

本实施例中，所述的单镜头多光谱昆虫辨识装置还可包括处理设备，该处理设备可采用计算机，用于根据昆虫和背景物的可见光-近红外反射光谱，获取昆虫与背景物的可见光-近红外反射光谱的差异谱，求取差异谱峰值的预设范围的波长。其中，差异谱峰值的预设范围的波长为差异谱峰值±10%范围的波长（如图5所示），其计算方式也可通过手工计算完成，具体见下文识别方法部分中的描述。

本实施例中，在本实用新型的单镜头多光谱昆虫辨识装置中，在摄像头101的正极与电池BAT的正极之间串联有摄像头电源开关KW3，或者在摄像头101的负极与电池BAT的负极之间串联有摄像头电源开关KW3，通过电源开关KW3控制摄像头的工作状态。

在查验时，通过第一开关电位器KW1调节白光灯D1的亮度，或者通过电位器R1调节第一LED灯D2或者第二LED灯D3的亮度，使昆虫（即被测物）不至于受到过强的光照造成光饱和，避免摄像头摄取的昆虫图像和背景一同白化，失去反差；或者受到过弱的光照而导致昆虫与背景反差过小。

进一步地，所述摄像头101可接收从可光见至近红外波段的摄像头，如可接收从可光见至近红外波段的CCD、CMOS等。因为现有的摄像头为了保证可见光的拍摄效果，会屏蔽红外线，而本实用新型主要利用第一LED灯D2或者第二LED灯D3发出380～2500nm范围内的窄带光，采用对可见光和红外光均可接收的摄像头101，获得第一LED灯或者第二LED灯D3照明的反射光图像。

进一步地，本实用新型的单镜头多光谱昆虫辨识装置的第二较佳实施例，还可自动开启第一LED灯D1或者第二LED灯D3，请参阅图3，在所述手持探头中还设置有感光头A1和三极管Q1，所述感光头A1的一端连接电池BAT的正极，感光头A1的另一端连接三极管Q1的基极，所述三极管Q1的集电极连接电池BAT的正极，三极管Q1的发射极通过电位器R1连接单刀双掷开关KW2的活动端。

由于单刀双掷开关KW2为一个二选一开关，当感光头A1使三极管Q1导通时，第一LED灯D1和第二LED灯D3中有一个LED灯会点亮，在昆虫检出效果不太明显时，可通过单刀双掷开关KW2切换到另一个LED灯照射待查验区域。

感光头A1为光敏电阻，用于感应光线强度，该感光头A1可选用没有感应到光线时阻值变小、感应到光线时阻值变大的感光头，所述三极管Q1为NPN三极管，当白光灯打开或者白天光线强时，感光头接收到光线不点亮LED；当白光灯D1关闭或者外界光线弱时，感光头A1接收不到光线阻值变小，其使三极管Q1的基极电压升高，当基极电压比发射极电压高0.7V以上时三极管Q1导通，感光头A1产生电信号经三极管Q1放大后，驱动第一LED灯D2或者第二LED灯D3点亮。此时在感光头和三极管的基极之间还可串接一个电位器来调节三极管的电流的大小，从而调节第一LED灯D2或者第二LED灯D3的亮度。

本实用新型可以通过手动和自动方式来控制第一LED灯D2的点亮方式，查验人员可以根据需要选择自动方式，只需控制白光灯的亮灭状态，即可控制第一LED灯D2或者第二LED灯D3的亮灭状态，智能化程度高。应当说明的是，所述感光头A1还可选用在感应到光线时阻值变小、没有感应到光线时阻值变大的感光头，此时需在感光头A1的输出端接一个反相器，或者将NPN三极管替换为PNP三极管，从而在黑暗环境下使三极管Q1导通点亮第一LED灯D2或者第二LED灯D3。并且LED灯的数量还可以设置更多，如采用三个LED灯时，开关采用采用单刀三掷开关，在查验时通过单刀三掷开关选择其中的一个LED灯发光照射即可。

本实用新型还提供一种采用上述单镜头多光谱昆虫辨识装置的识别方法，请参阅图4，其包括：

    S100、通过可见光-红外分光光度计采集昆虫和背景物的可见光-近红外反射光谱，保存到数据库；

S200、获取不同组昆虫与背景物的可见光-近红外反射光谱的差异谱，求取不同组昆虫与背景物的差异谱峰值范围的波长；

S300、根据两组昆虫与背景物的差异谱峰值范围的可光见-近红外波长，在所述手持探头上安装发光波长位于所述峰值范围内的两个LED灯；

S400、关闭白光灯，启动两个LED灯中的一个照射待测物体。

本发明通过LED灯（如第一LED灯或者第二LED灯）输出特定波长的光线，增强昆虫与背景物（如植物）的反差，来提高昆虫的检出率。本实用例中，所述第一LED灯或者第二LED灯输出光线的波长可相差50nm，在查验时可选择一个合适的LED灯照射。

所述步骤S200具体包括：201、分别求取同种昆虫和背景物的多个个体在同一波长下的平均反射率；202、根据所述平均反射率计算某种昆虫或背景物在各波长下的平均反射光谱，形成平均反射谱曲线；203、求取某种昆虫与某种背景物的平均反射光谱的差异，计算某一波长下昆虫与背景物的平均反射率的差值，形成昆虫与背景物的差异谱；204、获取差异谱的峰值，及达到峰值数值10%范围所在的波长范围，保存到数据库中，其差异谱峰值范围如图5所示。

在步骤201中，需分别求取同种昆虫的多个个体在同一波长下的平均反射率和同种景物的多个个体在同一波长下的平均反射率，从而能分别计算出该种昆虫和该背景物的在各波长下的平均反射光谱，分别形成平均反射谱曲线。

上述获取第一LED灯或者第二LED灯的差异谱峰值范围的波长的计算方式可以通过程序计算，也可以通过手动计算，此方式采用的是简单的数学计算方法，通过手工计算，其计算量也不会太大。

由于在一次查验时，本实用新型可能需要使用第一LED灯和第二LED灯为多个，通过步骤300最终确认安装能发出相应波长光线的第一LED灯和第二LED灯。在步骤S400，还可通过电位器调节第一LED灯或者第二LED灯的亮度，最终使昆虫（即被测物）不至于受到过强的光照造成光饱和，避免摄像头摄取的昆虫图像和背景一同白化，失去反差；或者受到过弱的光照而导致昆虫与背景反差过小。

本实施例中列举16种水果与桔小实蝇的反射光谱及差异。如图6、图7和图8所示，在图6和图8中，16种水果分别为：A.龙眼、B.葡萄柚、C.番荔枝、D.苹果、E.岭南山竹子、F.火龙果、G.香蕉、H.龙贡、I.芒果、J.李子、K.荔枝、L.红毛丹、M.鳄梨、N.草莓、O.樱桃、P.欧洲葡萄。

从图6可知，通过可见光-红外分光光度计测得的背景物（水果）的可见光-近红外反射光谱均呈现一个明显的主峰，最大反射率平均为79.78%，最大反射率波长平均为849 nm，峰值波长区间平均在777～896 nm，可见水果的反射率峰值均在近红外波段低端的位置。

图7通过可见光-红外分光光度计测试了7头桔小实蝇的反射率，反射率最低12%，最高48%，计算获得平均反射光谱曲线如图7。在400～2500 nm的测试范围内，反射光谱曲线呈现平缓上升的走势，没有明显的峰和谷；其中，在400 nm处最低，2220 nm附近最高。

其中，在计算水果-昆虫反射率差值时，直接使用减法获得，各种水果与桔小实蝇在可见光-近红外波段反射率差值Rd：为各波长下水果的平均反射率Rs减去桔小实蝇的平均反射率Rb，即Rd= Rs-Rb，从图7可知，由于在近红外波段低端区域，水果反射率均有一高峰，而桔小实蝇反射率较低而平稳，反射率差谱峰值10%范围的波长区域平均在777～896 nm，反映桔小实蝇与水果反射率在此波段范围有显著差异。

本实用新型主要用于近距离检测货物上是否存在昆虫，并且通过查验人员携带该单镜头多光谱昆虫辨识装置，走进探测区域进行检测，为了获取大反差的昆虫图像，在检测前根据事先测试所获得的虫/背景反射光谱最大差值区域，装上发射该波长范围光照的灯，检测时照射待测区域。

以下对本实用新型的单镜头多光谱昆虫辨识装置使用方式进行详细说明：

查验人员需先走进查验区，作常规检测，开启白光灯用肉眼或通过视频眼镜经过摄像头观察查验部位是否有虫；之后作特殊光谱检测，切换到特殊光谱模式，即关闭白光灯，点亮第一LED灯或者第二LED灯照明，通过视频眼镜观察该第一LED灯或者第二LED灯照明下查验位置的影像。第一LED灯或者第二LED灯的选择，可事先根据昆虫及背景（如水果）的组合，从数据库查出两组昆虫与背景物最大反差范围（即差异谱峰值范围）的波长值，选取中心波长在此位置的窄带第一LED灯或者第二LED灯并安装，要查验时可采用一个LED灯检测一种昆虫与背景物，再切换到另一个LED灯检测另一种昆虫与背景物。

综上所述，本实用新型采用安装特殊光谱的灯元件进行照明，实现了以下有益效果：

1、本实用新型采用了特殊光谱灯元件照射待测区域，可以有效地增强昆虫与背景的反差，形成鲜明的昆虫影像，帮助查验人员快速发现昆虫，提高查验速度。

2、采用可接收红外光谱的摄像头，配备接收及显示摄像头图像的视频眼镜，将红外图像转变为可见光图像，使查验人员能够观看到红外区域的影像，扩大可视波长区间，增强发现昆虫的能力。

3、在手持探头上安装两个LED灯，可以一次检查两组昆虫与背景物的组合，避免频繁更换LED灯。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本实用新型所附的权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种单镜头多光谱昆虫辨识装置，其特征在于，包括：手持探头和视频眼镜，所述手持探头上设置有用于获取视频图像的摄像头、视频接口、白光灯、用于输出第一组昆虫-背景物的最大差异谱范围内的波长光线的第一LED灯、用于输出第二组昆虫-背景物的最大差异谱范围内的波长光线的第二LED灯、用于控制白光灯的亮灭及明暗状态的第一开关电位器、用于控制第一LED灯和第二LED灯的亮灭状态的单刀双掷开关、用于控制第一LED灯和第二LED灯的明暗状态的电位器，及电池；所述摄像头的视频传输线通过视频接口连接视频眼镜，所述电池的正极连接摄像头的正极，摄像头的负极连接电池的负极；所述电池的正极通过第一开关电位器连接白光灯正极、还通过电位器连接单刀双掷开关的活动端，所述单刀双掷开关的第一固定端连接第一LED灯的正极，所述单刀双掷开关的第二固定端第二LED灯的正极，所述白光灯的负极、第一LED灯的负极和第二LED灯的负极连接电池的负极。

2.根据权利要求1所述的单镜头多光谱昆虫辨识装置，其特征在于，在摄像头的正极与电池的正极之间，或者在摄像头的负极与电池的负极之间，串联有摄像头电源开关。

3.根据权利要求1所述的单镜头多光谱昆虫辨识装置，其特征在于，所述手持探头中还设置有感光头和三极管；所述感光头的一端连接电池的正极，感光头的另一端连接三极管的基极，所述三极管的集电极连接电池的正极，三极管的发射极通过电位器连接单刀双掷开关的活动端。

4.根据权利要求1所述的单镜头多光谱昆虫辨识装置，其特征在于，所述第一LED灯和第二LED灯输出光线的波长不同。

5.根据权利要求1所述的单镜头多光谱昆虫辨识装置，其特征在于，所述摄像头为可接收从可光见至近红外波段光线的摄像头。