CN204666144U - 一种植物表型扫描装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种植物表型扫描装置，实现了对植物多角度、多位置成像，以进行三维重建和数据提取。其技术方案为：植物表型扫描装置包括：成像装置，用于对植物图像和/或视频进行采集；框架，包含成像装置移动接件，所述成像装置移动接件用于驱动所述成像装置移动；旋转台，用于转动植物；控制器，用于控制成像装置的采集、移动，控制旋转台的转动。

Description

一种植物表型扫描装置

技术领域

本实用新型涉及一种应用植物学和计算机视觉的装置，尤其涉及一种植物表型扫描装置。

背景技术

当今社会发展始终面临粮食安全问题，随着耕地面积减少，提高粮食产量是解决此问题的关键。光合作用研究对于提高产量具有决定性作用，植物光合作用计算和相关基因型-表型统计需要大量植物的表型组学数据，一些研究者为此设计研发了一些测量植物表型的工具装置。表型测量装置一般分为接触式和非接触式，侵入式和非侵入式。接触式测量工具包括尺子、量角器、SPAD、叶厚仪等需要对植物进行接触测量的工具，它们大多需要对植物进行接触式手动测量，效率低且难以大量提供植物表型参数。侵入式测量工具包括叶面积仪、叶片荧光分析仪等需要损伤植物而进行测量，会影响植物生长。可见植物表型的工作迫切需要一种效率高、精度高的非侵入式表型测量装置。

一些非侵入式非接触式的植物表型扫描装置包括Xavier Sirault博士的PlantScan，LEMNATEC公司的植物表型系统，深圳先进技术研究院的结构光植物生长观测仪。PlantScan可以实现批量植物扫描，并读取表型参数，但其装置控制复杂，传感器冗余，数据存取特殊且利用率不佳，难以灵活扫描植物，存在成本问题。LEMNATEC系统仅对每盆植物拍摄有限图像，无法得到高精度的表型数据。深圳先进技术研究院的扫描装置的结构光会影响植物生长状态，使其光合参数失准。因此，本领域迫切需要开发并改进一种植物表型扫描平台，以解决成本、数据量、影响植物生长等问题。

实用新型内容

以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。

本实用新型的目的在于解决上述问题，提供了一种植物表型扫描装置，实现了对植物多角度、多位置成像，以进行三维重建和数据提取。

本实用新型的技术方案：本实用新型揭示了一种植物表型扫描装置，所述装置包括：

成像装置，用于对植物图像和/或视频进行采集；

框架，包含成像装置移动接件，所述成像装置移动接件用于驱动所述成像装置移动；

旋转台，用于转动植物；

控制器，用于控制成像装置的采集、移动，控制旋转台的转动。

根据本实用新型的植物表型扫描装置的一实施例，所述框架由金属制成，用于固定所述成像装置移动接件和所述旋转台的相对位置。

根据本实用新型的植物表型扫描装置的一实施例，所述成像装置移动接件包括运动组件、固定组件和定位模块，所述固定组件用于连接固定所述框架和所述成像装置移动接件。

根据本实用新型的植物表型扫描装置的一实施例，所述运动组件包括直线运动器和滑台，其中所述直线运动器用于驱动所述滑台移动，所述定位模块用于定位所述滑台的位置。

根据本实用新型的植物表型扫描装置的一实施例，所述直线运动器为电机配合螺杆或丝杠。

根据本实用新型的植物表型扫描装置的一实施例，所述固定组件包括金属接件、微移台和云台，所述固定组件还用于连接固定所述滑台和所述成像装置，所述固定组件使所述成像装置与所述旋转台的垂直距离在一次扫描过程中固定不变。

根据本实用新型的植物表型扫描装置的一实施例，所述定位模块包括行程开关和光栅尺。

根据本实用新型的植物表型扫描装置的一实施例，所述旋转台设有限位器、重复定位器、位置反馈器、转台固定组件和驱动组件，其中所述转台固定组件连接所述框架与所述旋转台。

根据本实用新型的植物表型扫描装置的一实施例，所述控制器包括成像装置控制器、旋转台控制器和直线运动器控制器。

本实用新型对比现有技术有如下的有益效果：本实用新型在成本方面仅使用一台成像装置和旋转台，实现了对植物多角度、多位置成像，以进行三维重建和数据提取。本实用新型在性能方面具有精度高、可重复定位、适应不同类别和大小的植物、拍摄角度可控、自动化程度高的特点。本实用新型属于非接触式、非侵入式，相比当前三维扫描装置，本设计专为植物设计，无需喷涂，无需结构光照，对植物生长无任何影响。相比手动植物表型数据收集和测量，本设计效率高、精度高、数据量大。使用本实用新型，可使本来难以追踪测量的植物生长参数直接方便的提供给科研人员，能使相关的基因型-表型研究、植物生理学研究、作物育种加快发展。

附图说明

图1示出了本实用新型的植物表型扫描装置的较佳实施例的整体示意图。

图2示出了成像装置移动接件的拆分示意图。

图3示出了旋转台的拆分示意图。

具体实施方式

在结合以下附图阅读本公开的实施例的详细描述之后，能够更好地理解本实用新型的上述特征和优点。在附图中，各组件不一定是按比例绘制，并且具有类似的相关特性或特征的组件可能具有相同或相近的附图标记。

图1示出了本实用新型的植物表型扫描装置的较佳实施例的整体结构。请参见图1，本实施例的植物表型扫描装置包括成像装置3、框架1、旋转台2以及控制器4。其中框架1中包含成像装置移动接件5，成像装置移动接件5用于驱动成像装置3移动。

框架1由金属制成，是用于固定成像装置移动接件5和旋转台2的相对位置。经过针对性的设计，框架1可以稳定的支撑各个部件，使各个部件均有合理受力点分配，且整个框架的重心稳固，不会轻易晃动。扫描时和装置移动时，主要部件相对位置均不会改变。主要部件如旋转台2由三根承重梁托起，可保证扫描相对较重的植物。

成像装置移动接件5连有成像装置3，成像装置移动接件5可以精密重复定位成像装置3的拍摄位置，而成像装置时用于对植物图像和/或视频进行采集。成像装置移动接件5的具体结构如图2所示。成像装置移动接件5包括运动组件51、固定组件和定位模块55。运动组件51进一步包括直线运动器511和滑台512。直线运动器511用于驱动滑台512移动，为电机配合螺杆或丝杠。定位模块55用于定位滑台512的位置。固定组件包括金属接件52、微移台53和云台54。固定组件用于连接固定框架2和成像装置移动接件5，连接固定滑台512和成像装置3，固定组件使成像装置3和旋转台2的垂直距离在一次扫描过程中固定不变。定位模块55包括行程开关和光栅尺。

在本实施例中，成像装置移动接件5的运动组件51和定位模块55方面，成像装置移动接件5主要采用一种滚珠丝杠导轨作为运动部分中的直线运动器511，带动滑台512连接的成像装置固定组件(金属接件52、微移台53和云台54)和成像装置3上下移动。滚珠丝杠导轨底部由步进电机驱动，导轨侧面装有可变位置U型槽光电开关作为定位模块55的传感器。当U型槽光电开关被滑块上的挡片遮挡时，导轨下方的步进电机立即停止转动，成像装置就可重复运动并固定在同一个位置上。

成像装置移动接件的固定组件方面，成像装置移动接件5实现了成像装置3的稳固锁紧、可微调和可维护性。滚珠丝杠导轨与框架一端两个梁处在合适的安装位置，固定组件中的导轨背板可在框架上稳定固定导轨，使导轨上的滑台处于梁的中心点。在成像装置固定组件中，导轨滑台512与成像装置3间由下至上分别置有金属L形接件、单轴微移台、金属微移台云台连接件、球形云台。金属L形接件连接滑台512和微移台53，其有两种，分别对成像装置水平和竖直拍摄进行设计，保证成像装置3镜头处在框架1的中间位置以便对位旋转台2。微移台53的底部固定在金属L形接件上，其上部可由精密位移调整器精密调整水平位置，起到调试成像装置位置误差和应对不同成像装置安装方式的作用。金属微移台云台连接件起到紧密连接微移台53和云台54的作用，因这部分接件加上成像装置相对较重，其具有一定厚度。球形云台54带有可以锁紧成像装置的快装板，其最终固定成像装置，可锁紧精密球形活动件使成像装置竖直角度精密可调，在球形云台底部有可锁紧水平旋转装置，其保证成像装置水平角度可调。这样一套固定部分在锁紧所有部件的同时，允许定期调校装置而不用完全拆卸，确保了装置的误差的可维护性和精度。

本实用新型进行了重大改进，此植物表型扫描装置的成像装置移动接件实现了主要部件成像装置的安装拆卸和位置调整，确保了其移动时稳固和精密可重复，而其他类似装置中成像装置均不能移动，也难以调整误差，更未考虑可维护性。

旋转台2用于转动植物，设有限位器21、重复定位器22、位置反馈器23、转台固定组件24和驱动组件25，其中转台固定组件24连接框架1和旋转台2。

植物表型扫描装置框架上成像装置对面底部装有旋转台，该装置可带动被扫描植物精密旋转。旋转台设有限位器、重复定位器、位置反馈器、转台固定部分。

框架1上有3个梁承载旋转台和被扫描植物的重量，转台固定组件24固定在3个梁上，旋转台2固定在转台固定组件24上。考虑到旋转台2和被扫描植物较重，转台固定组件24采用较厚金属板。转台固定组件24确保旋转台2的中心点处在梁的中点，这样可以确保成像装置镜头中轴和旋转台中心处在同一垂直于水平面的平面上，即成像装置镜头高度大致处于被扫描植物高度的中间点上。

旋转台2本身选用了蜗轮蜗杆驱动方案，台面和驱动部分接触面较大，充分保证了旋转稳定性和较小的偏心率，使植物重量得到稳固支撑，旋转产生振动极小。蜗轮蜗杆具有较高减速传动比，蜗杆由步进电机驱动，保证了高精度控制。

位置反馈器23设在旋转台台面下，现为一种高精度单轴旋转编码器，其由联轴器和螺丝紧密固定在台面中心线下，旋转台转动时带动编码器，编码器反馈当前旋转位置给旋转台控制器。成像装置3每次拍摄均可得知当前旋转台的精确位置。

重复定位器22设在旋转台台面下边缘，现为一种霍尔零位开关，其准确固定在旋转台0度位置，当旋转台转至0度位置即零位时，其反馈信号可使旋转台立即停止，编码器计数重置，这样可使每个被扫描植物从同一位置开始扫描。

限位器21设在旋转台台面上，其可使被扫描植物固定在旋转台2上，避免被扫描植物旋转过程中与旋转台产生相对位移。

控制器用于控制成像装置3的采集和移动，控制旋转台2的转动。在扫描过程中，用户需要首先将植物放置在旋转台中央，使用限位器固定。接着启动装置控制器，设置所扫描植物的工程文件，包括扫描时间、图像个数和间隔角度、文件储存路径、实验描述等。然后使旋转台归零位，即扫描起始位置每次相同。最后只需在控制器上一键开始扫描，装置便自动拍摄植物图像，存储位置反馈器返回的信号，旋转用户设置的间隔角度。如此循环重复用户设置的拍摄次数。用户会直接得到一组被扫描植物的图像，以及一个包含扫描过程记录的文件，这些文件将会导入控制器上的植物三维重建方法软件模块，进而得到植物表型数据。

本实用新型的植物表型扫描装置的使用环境的要求包括：

需要置于无风环境，确保扫描时不同角度植物体没有相对位移；

需要置于稳定地面，确保成像稳定；

需要市电220V供电，并妥善接地；

需要置于经过针对设计的光照环境，确保旋转台上的植物在成像装置准确、均匀、一致的曝光，实际光照设计需考虑装置放置地点的已有光照环境。本实用新型的建议光照设置为四点布光法，由两盏主光源从成像装置斜上方照亮被扫描植物正面，确保植物正面无装置造成的阴影，两盏辅助光源从被扫描植物后侧面照亮背景和植物，使植物本身投射到背景的阴影尽量减少；

用户应采用均匀单调、漫反射的背景，建议采用白色绒布，置于植物背后大于50厘米距离，确保之后的植物图像分析可以容易进行。不应选用任何带有植物体表面颜色的背景，如绿色。不应选用有较高反射率的材料。

提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。

Claims (9)

1.一种植物表型扫描装置，其特征在于，所述装置包括：

成像装置，用于对植物图像和/或视频进行采集；

框架，包含成像装置移动接件，所述成像装置移动接件用于驱动所述成像装置移动；

旋转台，用于转动植物；

控制器，用于控制成像装置的采集、移动，控制旋转台的转动。

2.根据权利要求1所述的植物表型扫描装置，其特征在于，所述框架由金属制成，用于固定所述成像装置移动接件和所述旋转台的相对位置。

3.根据权利要求1所述的植物表型扫描装置，其特征在于，所述成像装置移动接件包括运动组件、固定组件和定位模块，所述固定组件用于连接固定所述框架和所述成像装置移动接件。

4.根据权利要求3所述的植物表型扫描装置，其特征在于，所述运动组件包括直线运动器和滑台，其中所述直线运动器用于驱动所述滑台移动，所述定位模块用于定位所述滑台的位置。

5.根据权利要求4所述的植物表型扫描装置，其特征在于，所述直线运动器为电机配合螺杆或丝杠。

6.根据权利要求4所述的植物表型扫描装置，其特征在于，所述固定组件包括金属接件、微移台和云台，所述固定组件还用于连接固定所述滑台和所述成像装置，所述固定组件使所述成像装置与所述旋转台的垂直距离在一次扫描过程中固定不变。

7.根据权利要求4所述的植物表型扫描装置，其特征在于，所述定位模块包括行程开关和光栅尺。

8.根据权利要求1所述的植物表型扫描装置，其特征在于，所述旋转台设有限位器、重复定位器、位置反馈器、转台固定组件和驱动组件，其中所述转台固定组件连接所述框架与所述旋转台。

9.根据权利要求1所述的植物表型扫描装置，其特征在于，所述控制器包括成像装置控制器、旋转台控制器和直线运动器控制器。