CN219164667U - 一种作物根系长度数字化测量系统用图像采集装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于精密仪器技术领域，具体涉及一种作物根系长度数字化测量系统用图像采集装置。该图像采集装置包括：样品台、支架、物理标尺、相机，以及数据采集装置。样品台上设有可拆卸的透明的样本安置板。样本安置板内部包含夹层空间，夹层空间用于插入指定颜色的纯色背景板。支架与样品台相对固定。支架顶部的设备安装板包含多个预留的安装位点。物理标尺作为进行样本长度测量的尺度参照物。相机位于样本安置板正中位置，取景方向朝下。数据采集装置与相机通讯连接，用于获取相机拍摄样本时获取的样本图像以及相机拍摄时的相机参数。本实用新型克服了传统图像采集方法采集的样本图像质量不高，无法适用于作物根系长度数字化测量系统的问题。

Description

一种作物根系长度数字化测量系统用图像采集装置

技术领域

本实用新型属于精密仪器技术领域，具体涉及一种作物根系长度数字化测量系统用图像采集装置。

背景技术

在农业技术研发中经常需要对作物样本的长度进行测量，例如在为了测试产品特性或进行种植方法改进时，都需要对样本植株的根部或其它组织的尺寸进行测量。其中，根系测量是一个较为繁琐的工作，植物的根须数量多、且根部通常呈弯曲状。常规的测量方法需要将根须拉直，然后采用尺子进行人工测量，这种测量方式非常费时费力，且测量误差较大，还容易因造成样本损坏而测量失败。

随着机器视觉技术的不断进步，技术人员可以通过图像分割和数字标尺等技术对植物根系长度进行数字化测量，这种测量方法主要是通过拍摄待测样品的图像，然后将图像输入到计算机中，由计算机利用相应的算法从图像中识别出对应的目标物，并将目标物的长度计算出来。本实用新型技术人员在一项研究作物根系的时空分布对灌溉方法的影响的项目中，就设计出了一种基于机器视觉的作物根系长度测量方案。

在这种数字化的测量方法中，输入的样本图像的质量对最终的检测精度的影响很大，如果样本在图像中清晰度、亮度、色差、分辨率等参数无法满足要求，很可能导致计算机无法识别出目标，并造成测量精度明显降低。但是，现有技术中并没有专用于获取这类场景专用图像的相关设备。技术人员主要采用人工拍照的方式获取样品的图像。这种传统的图像采集方式获得的图像质量受测量人员操作水平以及环境的影响很大，无法保证总能获取满足要求的样本图像。

实用新型内容

为了克服传统图像采集方法采集的样本图像质量不高，无法适用于作物根系长度数字化测量系统的问题，本发明提供一种作物根系长度数字化测量系统用图像采集装置。

本实用新型提供的产品是通过以下技术方案来实现的：

一种作物根系长度数字化测量系统用图像采集装置，其用于获取满足图像处理标准的包含测量目标的样本图像。该图像采集装置包括：样品台、支架、物理标尺，以及相数据采集装置。

样品台包括一个呈水平状态的操作平台；操作平台中央包含一个可拆卸的透明的样本安置板。样本安置板上表面为样品区，用于放置待测量的作物根系样本。样本安置板内部包含一个水平的夹层空间，并在样本安置板的其中一侧设置一个与夹层空间连通的条形的插槽；夹层空间用于插入指定颜色的纯色背景板。

支架与样品台相对固定。支架包括位于样品台上方的一个水平的设备安装板；设备安装板中包括多个预留的安装位点。物理标尺放置在样本安置板上方，作为进行样本长度测量的尺度参照物。

相机通过紧固件安装在支架中设备安装板的安装位点上，相机位于样本安置板中样品区中央位置的正上方。相机的取景方向正对下方的样品区。数据采集装置与相机通讯连接，用于获取相机拍摄样本时获取的样本图像，以及相机拍摄时的相机参数。样本图像和相机参数共同作为作物根系长度数字化测量系统测量作物根系长度时的输入数据。

作为本发明进一步的改进，图像采集装置中还包括一个补光灯，补光灯采用多光源的无影灯系统。补光灯安装在所述设备安装板中的安装位点上，照明区域为下方样品台中的样品区，以使样品区的不同位置在相机中成像时亮度保持均匀。

作为本发明进一步的改进，补光灯中的光源采用色温接近自然光的冷光灯。

作为本发明进一步的改进，样品台中还包括一个可拆卸的遮光罩，遮光罩呈套筒状，用于罩合在样本安置板的样品区外周，以消除外界光线对相机采集的样本图像质量的影响。

作为本发明进一步的改进，支架还包括一个高度可调的升降架，升降架用于调整设备安装板距样本安置板的垂直高度。

作为本发明进一步的改进，相机选择采用CMOS传感器或CCD传感器的高性能工业相机。

作为本发明进一步的改进，图像采集装置中还包括一个操纵器，操纵器与相机有线或无线通讯连接。操纵器用于向相机发送控制指令进而控制相机的快门或调整拍摄时的相机参数。

作为本发明进一步的改进，背景板选择与待测量的作物根系颜色具有高色差的纯色背景板，二者的色差以使所述作物根系长度数字化测量系统可分辨为准。

作为本发明进一步的改进，样本安置板采用高透明的玻璃板或有机玻璃板。

作为本发明进一步的改进，数据采集装置采用包括手机、笔记本电脑、平板电脑、服务器的任意一种通用电子设备，或任意一种用于执行所需数据处理任务的专用电子设备。

通用电子设备或专用电子设备中至少包括一个显示屏，显示屏用于实时显示采集到的样本图像。

作为本发明进一步的改进，支架固定在样品台上，或支架和样品台分离设备均固定在同一个安装基座上。在样品台、支架，或安装基座中设置有减震机构；减震机构用于抑制环境振动对作物根系长度数字化测量系统用图像采集装置引起的共振效应。

本实用新型提供的技术方案，具有如下的有益效果：

本实用新型提供一种专用于获取数字化测量系统中所需的样本图像的图像采集装置，该图像采集装置通过精巧的结构设计，使得该设备可以任何环境下获取最佳的图像质量。本方案提供的产品操作方法简单，经过简单培训就可快速掌握，获取的样本图像质量不受操作人员技术水平的影响，克服了传统图像采集方案中图像噪点过多，亮度不均，图像模糊等一系列问题。

本实用新型提供的图像采集装置的具有较高的通用性，可以用来采集尺寸较小的作物根系的样本图像，也可以用来采集尺寸较大的作物根系的样本图像。并且对于根系颜色、形态各异的不同作物，均可以获得最佳的样本图像质量，这可大幅提高数字化测量系统的测量速度和测量精度。

附图说明

附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中：

图1为本实用新型实施例1中提供的一种作物根系长度数字化测量系统用图像采集装置的结构示意图。

图2为本实用新型实施例1中样本安置板与背景板的装配示意图。

图3为本实用新型实施例2中采用的增加补光灯后的设备安置板沿底面视角下的结构示意图。

图4为实施例2中增加遮光罩后的作物根系长度数字化测量系统用图像采集装置的结构示意图

图5为增加无线操纵器后的作物根系长度数字化测量系统用图像采集装置的结构示意图。

图中标记为：1、样品台；2、支架；3、物理标尺；4、数据采集装置；5、相机；6、补光灯；7、操纵器；10、背景板；11、操作平台；12、样本安置板；13、遮光罩；21、设备安装板；22、升降架；120、夹层空间。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。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。

实施例1

本实施例提供一种作物根系长度数字化测量系统用图像采集装置，其用于获取满足图像处理标准的包含测量目标的样本图像。如图1所示，该图像采集装置包括：样品台1、支架2、物理标尺3，以及相数据采集装置4。

样品台1包括一个呈水平状态的操作平台11；操作平台11中央包含一个可拆卸的透明的样本安置板12。样本安置板12上表面为样品区，用于放置待测量的作物根系样本。如图2所示，样本安置板12内部包含一个水平的夹层空间120，并在样本安置板12的其中一侧设置一个与夹层空间120连通的条形的插槽；夹层空间120用于插入指定颜色的纯色背景板10。样本安置板12采用高透明的玻璃板或有机玻璃板。

物理标尺3放置在样本安置板12上方，作为进行样本长度测量的尺度参照物。

支架2与样品台1相对固定。在实际的产品结构设计中，可以将支架2直接固定的样品台1一侧，也可以将支架2和样品台1分离设计，并将二者固定在同一个安装基座或地面上。支架2与样品台1相对固定后，可以保证拍摄的样本图像不会因为相机5的抖动而发生画面模糊，或在重复曝光时产生重影。

本实施例的支架2包括位于样品台1上方的一个水平的设备安装板21；设备安装板21中包括多个预留的安装位点。相机5通过紧固件安装在支架2中设备安装板21的安装位点上，相机5位于样本安置板12中样品区中央位置的正上方。相机5的取景方向正对下方的样品区。数据采集装置4与相机5通讯连接，用于获取相机5拍摄样本时获取的样本图像，以及相机5拍摄时的相机5参数。样本图像和相机5参数共同作为作物根系长度数字化测量系统测量作物根系长度时的输入数据。

本实施例方案中的相机5选择采用现有的各类基于CMOS传感器或CCD传感器的高性能工业相机5。相机5的性能越强，最终获取的图像质量就越高。因此，在图像采集装置的产品设计和生产过程中，技术人员可以根据对实际测量精度要求，选择合适的相机5产品。

在测试过程，相机5的实际高度可以根据需要进行设置。例如对于测量较为细小的目标物，为了保证目标物在样本图像中占据画面主体并保持清晰；则需要调高镜头的放大倍率；同时也需要将相机5的镜头到样本安置板12间的距离调小。而对于较大尺寸的目标物，则需要将镜头的放大倍率调小，并将镜头的位置调高，以获得更大的视野范围。

因此，在本实施例方案中，支架2还包括一个高度可调的升降架22，升降架22用于调整设备安装板21距样本安置板12的垂直高度。即实现对相机5与拍摄目标之间的距离进行调节。本实施例的升降架22可以采用手动调节的升降架22，例如图1中的升降架22就是采用带有阻尼的分段拉伸轨道式调节机构。当然，在其它实施例也可以采用套筒式升降架22，并通过螺母或其它紧固件进行限位。或者采用电缸或气缸式的升降架22。

本实施例将相机5安装在样品区的正上方，可以从正投影方向获取样本图像，这使得待测目标物在相机5获取的图像中的畸变最小，测量出的目标物的长度最精准。当然，对于画面畸变的问题，也可以通过在相机5的处理器中采用相应的图像处理方式进行进一步的优化。

技术人员利用本实施例提供的图像采集装置获取样本图像并进行作物根系长度数字化测量的操作过程包括设备调试阶段和实测阶段两个部分的内容，分别如下：

一、设备调试阶段

首先，将支架2调整至适合的高度，并将支架2与样品台1相对固定。然后调整相机5的感光度、变焦倍数、拍摄图像的分辨率等相机5参数，以使得相机5的取景区域完整包含样品区，且样品区内的所有目标在相机5拍摄的影像中保持清晰。

然后，固定相机5的物理坐标和相机5参数；并将物理标尺3放置在样本安置板12靠近中央的位置。拍摄一张参考图像，参考图像和对应的相机5参数发送到作物根系长度数字化测量系统；作物根系长度数字化测量系统根据以参考图像中真实尺子为基准，可以计算出在当前拍摄状态下，相机5输出的图像中的每个像素与对应的目标物的真实尺度间的转换关系。

接着，技术人员将物理标尺3移走，并保持图像采集装置的当前状态，记录相关设备参数，作物根系长度数字化测量系统记录调试过程的转换系数。结束设备调试阶段的工作。

二、实测阶段

首先，技术人员向样本安置板12的夹层空间120内插入一张纯色背景板10，纯色背景板10的颜色选择与待测作物根系具有明显色差的产品。然后，将待测量的作物根系样本平铺在样本安置板12上，并保证：(1)待测目标之间相互无堆叠；(2)待测目标尽量位于样品台1中央的位置；(3)待测目标之间界限清晰，不发生粘连；(4)对于可以被拉直的目标物，尽量将目标量拉直而非保持蜷曲状态。

接下来，采用与设备调试阶段相同的相机5参数拍摄下方样本，得到对应的样本图像并发送到作物根系长度数字化测量系统。作物根系长度数字化测量系统采用图像分割和图像处理技术计算出目标物的像素长度，然后根据测试过程中到的转换系数，将像素长度输出为目标物的真实长度。完成作物根系的长度测量。

需要强调的是：高精度的作物根系长度数字化测量系统是本案发明人的另外一项研究成果，该系统的工作原理和测量方法等不属于本案要求保护的内容，这里不进行赘述。

在本实施例的方案中，为了获得质量更高的样本图像，在样本图像采集阶段，如果测量的作物根系为黄色或白色，可以选择插入黑色背景板10。如果测量的作物根系颜色偏红，则适合选择乳白色的背景板10，等等。总之选择的背景板10与待测量的作物根系的色差，应使得拍摄出的样本图像中，作物根系可以被作物根系长度数字化测量系统从背景中非常容易的分辨出来，通俗来说就是降低后期进行图像处理时的抠像难度和准确率。

此外，在将测量样品固定在样本安置板12上时，对于非常细小，质量较轻的目标物，无了防止待测物被气流吹动，影响测量。还可以在样本上喷水，并盖上一片透明玻片，然后排除透明玻片与样本安置板12之间的气泡。最后再拍摄被夹在透明玻片和样本安置板12之间的目标物。

实施例2

在实施例1的基础上，本实施例进一步提供了一个更加优化的作物根系长度数字化测量系统用图像采集装置。与实施例1相比，如图3所示，本实施例的图像采集装置中还包括一个补光灯6，补光灯6采用多光源的无影灯系统。补光灯6安装在所述设备安装板21中的安装位点上，照明区域为下方样品台1中的样品区，以使样品区的不同位置在相机5中成像时亮度保持均匀。

增加无影灯后可以降低环境光对最终获取的样本图像的影响，无论在任何天气状态机进行图像采集，都可以获得最佳的样本图像。显著提高样本图像的的亮度和对比度，消除图像中的噪点和亮度不均等缺陷。

特别地，补光灯6中的光源采用色温接近自然光的冷光灯，以克服光源的色彩对图像中目标物与背景之间色差的影响。

再更优化的方案中，如图4所示，样品台1中还包括一个可拆卸的遮光罩13，遮光罩13呈套筒状，用于罩合在样本安置板12的样品区外周，以消除外界光线对相机5采集的样本图像质量的影响。遮光罩13外层采用不透光的金属薄膜材料，内层采用具有高光反射性的材料。具体地，内层材料采用具有粗糙表面的柔光膜。柔光膜可以进一步改善样本图像拍摄的光线环境，使得相机5拍摄出的样本图像质量更高，目标物和背景的色差和对比度更明显。进而最终提高的作物根系长度测量结果的精度。

实施例3

在实施例1或2的基础上，本实施例进一步提供了一个更加优化的作物根系长度数字化测量系统用图像采集装置。与实施例1或2相比，本实施例提供的图像采集装置中还包括一个操纵器7，操纵器7与相机5有线或无线通讯连接。操纵器7用于向相机5发送控制指令进而控制相机5的快门或调整拍摄时的相机5参数。采用无线通讯连接方式时，可以选择采用基于蓝牙、红外、WLAN等任意一种技术的通讯模块。

具体地，如图5所示，本实施例提供的操纵器7是一个无线操纵器7，操纵器7可以和相机5的本体之间通过蓝牙进行连接。采用这种无线操作的技术方案设计的目标是避免图像拍摄时操作人员的肢体动作对相机5造成的抖动，进而进一步提高图像质量。

基于相同的目标，在本实施例的方案中，样品台1、支架2，或安装基座中还设置有减震机构；减震机构用于抑制环境振动引起的图像采集装置的共振效应，进而提升图像采集装置的图像质量，并提高作物根系长度数字化测量系统的测量精度。

此外，在实施例1-3的方案中，数据采集装置4采用包括手机、笔记本电脑、平板电脑、服务器的任意一种通用电子设备，或任意一种用于执行所需数据处理任务的专用电子设备。采用的通用电子设备或专用电子设备中至少包括一个显示屏，显示屏用于实时显示采集到的样本图像。

通过显示屏的实时输出，技术人员在获取样本图像时可以直观的了解到获取的样本图像是否满足要求，如果满足要求则结束图像采集任务，如果不满足要求，则可以进行针对性的调整。例如，在图像亮度不足时，选择开启或调整补光灯6的亮度；当样本未处于视野中心时，调整样本在样本安置板12上的位置；环境光中含有的特定色光造成样本在样本图像中色差不明显时，选择更换背景板10或安装遮光罩13；等等。

在采用通用电子设备(如笔记本电脑)时，通过安装相应的驱动程序，还可以利用通用电子设备的输入设备(如鼠标、键盘等)代替本实施例中的操纵器7，控制相机5的图像拍摄过程。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种作物根系长度数字化测量系统用图像采集装置，其特征在于，其用于获取满足图像处理标准的包含测量目标的样本图像；所述图像采集装置包括：

样品台；其包括一个呈水平状态的操作平台；所述操作平台中央包含一个可拆卸的透明的样本安置板，所述样本安置板上表面为样品区，用于放置待测量的作物根系样本；所述样本安置板内部包含一个水平的夹层空间，并在样本安置板的其中一侧设置一个与夹层空间连通的条形的插槽；所述夹层空间用于插入指定颜色的纯色背景板；

支架，其与所述样品台相对固定，所述支架包括位于样品台上方的一个水平的设备安装板；所述设备安装板中包括多个预留的安装位点；

物理标尺，其放置在样本安置板上方，作为进行样本长度测量的尺度参照物；

相机，其通过紧固件安装在所述设备安装板的安装位点上，所述相机位于样本安置板中样品区中央位置的正上方；所述相机的取景方向正对下方的样品区；

数据采集装置，其与所述相机通讯连接，用于获取所述相机拍摄样本获取的样本图像，以及相机拍摄时的相机参数；所述样本图像和相机参数共同作为所述作物根系长度数字化测量系统测量作物根系长度时的输入数据。

2.如权利要求1所述的作物根系长度数字化测量系统用图像采集装置，其特征在于：所述图像采集装置中还包括一个补光灯，所述补光灯采用多光源的无影灯系统；所述补光灯安装在所述设备安装板中的安装位点上，照明区域为下方样品台中的样品区，以使样品区的不同位置在相机中成像时亮度保持均匀；

所述补光灯中的光源采用色温接近自然光的冷光灯。

3.如权利要求2所述的作物根系长度数字化测量系统用图像采集装置，其特征在于：所述样品台中还包括一个可拆卸的遮光罩，所述遮光罩呈套筒状，用于罩合在样本安置板的样品区外周，以隔绝外界光线对样本图像指令的影响。

4.如权利要求1所述的作物根系长度数字化测量系统用图像采集装置，其特征在于：所述支架还包括一个高度可调的升降架，所述升降架用于调整所述设备安装板距所述样本安置板的垂直高度。

5.如权利要求1所述的作物根系长度数字化测量系统用图像采集装置，其特征在于：所述相机选择采用CMOS传感器或CCD传感器的高性能工业相机。

6.如权利要求1所述的作物根系长度数字化测量系统用图像采集装置，其特征在于：所述图像采集装置中还包括一个操纵器，所述操纵器与相机有线或无线通讯连接；所述操纵器用于向所述相机发送控制指令进而控制相机的快门或调整拍摄时的相机参数。

7.如权利要求1所述的作物根系长度数字化测量系统用图像采集装置，其特征在于：所述背景板选择与待测量的作物根系颜色具有高色差的纯色背景板，二者的色差以使所述作物根系长度数字化测量系统可分辨为准。

8.如权利要求1所述的作物根系长度数字化测量系统用图像采集装置，其特征在于：所述样本安置板采用高透明的玻璃板或有机玻璃板。

9.如权利要求1所述的作物根系长度数字化测量系统用图像采集装置，其特征在于：所述数据采集装置采用包括手机、笔记本电脑、平板电脑、服务器的任意一种通用电子设备，或任意一种用于执行所需数据处理任务的专用电子设备；

所述通用电子设备或专用电子设备中至少包括一个显示屏，所述显示屏用于实时显示采集到的样本图像。

10.如权利要求1所述的作物根系长度数字化测量系统用图像采集装置，其特征在于：所述支架固定在样品台上，或所述支架和样品台分离设备均固定在同一个安装基座上；

在所述样品台、支架，或安装基座中设置有减震机构；所述减震机构用于抑制环境振动对作物根系长度数字化测量系统用图像采集装置引起的共振效应。

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