JP2022038893A

JP2022038893A - 植物の寸法測定方法

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Publication number: JP2022038893A
Application number: JP2020143602A
Authority: JP
Inventors: 祥宇曾; Xiang Yu Ceng
Original assignee: Omron Corp; Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 2020-08-27
Filing date: 2020-08-27
Publication date: 2022-03-10
Also published as: EP4205536A1; US20230289990A1; WO2022044682A1; CN116133517A; EP4205536A4

Abstract

【課題】植物の寸法を効率的に、且つ高精度に測定する寸法測定方法を提供する。【解決手段】撮像機１で撮像した植物の寸法を測定するための植物の寸法測定方法であって、撮像機で前記植物を撮像する際には、寸法の基準が記された背景板３を植物の背後に配置し、植物の寸法測定箇所を撮像する際、寸法測定箇所と前記背景板の間の距離は変更せず、撮像機の移動のみによって撮像距離を変更して複数回にわたって撮像し、植物の寸法は、背景板の前記寸法の基準を用いて得られた、各撮像における寸法測定箇所の寸法の取得値及び各撮像における撮像機による撮像範囲に基づいて測定される。【選択図】図３

Description

本発明は、植物の寸法測定方法に関する。

従来より、植物の寸法測定方法の一例として、植物の茎の直径を、メジャーやノギスといった測定ツールを用いて植物の茎に接触して測定する方法が実施されている。しかし、測定時に植物に接触するため、植物の栄養成長に負の影響を与えるリスクがある。さらに、植物の茎の直径を測定するポイントが、植物の枝分かれ部分である場合、その部分が障害となり、測定ツールを接触させることが困難である。

また、植物に関連する測定方法の一例として、撮像部によって対象の植物を上方側から撮像し、画像解析によって、植物の茎に関する特性を測定するシステムが提供されている（例えば、特許文献１参照）。このように画像解析により植物の測定を行うことで、簡易且つ高精度の測定が可能となり、また、植物にほとんど接触することなく測定が可能となる。

そして、画像解析を用いて植物の寸法を測定する方法としては、植物を撮像する際に、植物の背後に黒いマーカーが記された白い背景板を配置する方法も提案されている。しかし実際は、枝や葉の存在による植物の立体性により、植物の茎を白い背景板に密着させることが困難であり、結果として、植物の茎と白い背景板の間の距離に起因する測定誤差が生じてしまう場合があった。

特開２０１７－１０４０３７号公報

上述の測定方法に関して、植物の栄養成長の度合いを評価するために、白い背景板を植物の背後に配置し、デジタルカメラ等の撮像機で植物の茎を撮像し、所定の画像解析プログラムを用いて植物の茎の直径を測定することが考えられる。その場合には、実際は植物の茎と背景板の間に距離があるにもかかわらず、植物の茎が白い背景板に密着しているものとする値が算出される。このような理由で画像解析プログラムによる植物の茎の直径の測定値が、真値を上回ることがしばしばある。また、画像解析プログラムによる植物の茎と白い背景板の間の距離の測定は困難である。

そこで、本発明では、上記のような測定誤差の問題に鑑みて、植物の茎を撮像する方法を改善し、植物の茎の直径の測定値の誤差が低減する、植物の寸法測定方法を提供することを目的とする。そして、高い信頼性をもって測定した植物の茎の直径の測定値を基に、その植物の栄養成長の管理が可能になることを最終的な目的とする。

ここで、本発明における植物の寸法測定方法について、測定の対象となるパラメーターは、植物の茎の直径以外であってもよい。

上記の課題を解決するための本発明は、
撮像機で撮像した植物の寸法を測定するための植物の寸法測定方法であって、
前記撮像機で前記植物を撮像する際には、寸法の基準が記された背景板を前記植物の背後に配置し、
前記植物の寸法測定箇所を撮像する際、前記寸法測定箇所と前記背景板の間の距離は変更せず、前記撮像機の移動のみによって撮像距離を変更して複数回にわたって撮像し、
前記植物の寸法は、
前記背景板の前記寸法の基準を用いて得られた、各撮像における前記寸法測定箇所の寸法及び各撮像における前記撮像機による撮像範囲に基づいて測定されることを特徴とする、
植物の寸法測定方法である。
本発明によれば、複数回の撮像において得られる各パラメーターを用いて、幾何学的に対象の植物の実際の寸法を算出することが可能である。また、植物の寸法測定箇所を撮像する際に、寸法測定箇所と背景板の間の距離を変更せず、撮像機の移動のみによって撮像距離を変更するため、寸法測定箇所と背景板の間の距離を考慮する必要がなくなり、より高い測定精度で植物の寸法を算出することが可能となる。

また、本発明においては、前記植物の寸法測定箇所は、前記植物の成長点から所定長さ下の部分の茎の直径であることを特徴とする、植物の寸法測定方法としてもよい。これによれば、その植物の栄養成長のレベルが適正であるか不適正であるかを判断する指標とするのに最適な部分を測定箇所とすることができ、より精度よく、当該植物の栄養成長の状態を取得することが可能となる。なお、本発明において、所定長さは例えば２０ｃｍとしてもよい。

また、本発明においては、前記寸法の基準は、白色の前記背景板上に配置された、互いの距離が既知である複数のマーカーであることを特徴とする、植物の寸法測定方法としてもよい。これによれば、画像解析プログラムを用いた解析において、複数のマーカーの間の距離を基準として、寸法測定箇所及び撮像機による撮像範囲のパラメーターを算出することが可能となる。なお、本発明において、複数のマーカーの間の距離は例えば３０ｃｍとしてもよい。

また、本発明においては、前記寸法測定箇所の撮像において、前記撮像機の撮像画面中に枠型の形状の撮像マスクを表示させ、前記寸法測定箇所及び前記寸法の基準は、撮像の際には、前記撮像マスクの前記枠型の形状における枠内に位置し、前記枠型の形状において、撮像の際には、前記枠内は枠外と比較して明るいことを特徴とする、植物の寸法測定方法としてもよい。これによれば、寸法測定箇所の撮像において、寸法測定箇所の位置決めがより容易になり、極端に端部に寄りすぎることによる測定誤差の発生を防止することが可能である。

本発明によれば、植物の寸法の測定を効率的に、且つ高精度に実施することが可能となり、得られた寸法の値を基に、より効率的に、植物の栽培管理をすることが可能となる。例えば、植物の茎の直径の測定であれば、得られた値からその植物の栄養成長のレベルが適正であるか不適正であるかをより精度よく判断し、供給する水や肥料の量をより精度よく調整することが可能となる。

撮像機を用いて植物の茎を撮像する様子を示す模式図である。本発明における背景板の表面の特徴を示す模式図である。本発明において植物の茎と背景板の間の距離は変更せず、撮像機の移動のみによって撮像距離を変更し、二度の撮像を行う様子を示す模式図である。本発明において撮像後に画像解析プログラムを用いて、植物の茎の直径を測定する様子を示す模式図である。本発明において撮像機で植物の茎と背景板を撮像する際に、測定者が見る撮像画面中における撮像マスクを示す模式図である。

〔適用例〕
本適用例においては、植物の寸法測定方法の一例として、植物の茎の直径の測定方法について説明する。植物の茎の直径の測定において、対象となる測定箇所の位置座標の情報をより正確にするため、互いの距離が既知であるマーカーが記された白い背景板を植物の茎の背後に配置する方法がある。背景板が測定対象である植物の茎の背後に配置された状態で、植物の茎と背景板を撮像し、撮像された画像の解析において、白い背景板に記されたマーカーどうしの間の距離を基に、画像上における植物の茎の直径を算出することが可能である。

しかし、実際には、植物の茎を撮像機により撮像する際に、枝や葉の存在による植物の成長点の立体性により、植物の茎を白い背景板に密着させることが困難であるが、植物の茎は白い背景板に密着しているものとして撮像される。このように、植物の茎の直径の測定において、植物の茎と白い背景板の間の距離に起因する測定誤差が生じ、植物の茎の直径の測定値は真値より大きくなる。

植物の茎と白い背景板の間の距離に起因する測定誤差を排除するため、植物の茎を撮像する際には、植物の茎と白い背景板の間の距離は変更せず、撮像機の移動のみによって撮像距離を変更し、二度の撮像を行う。

撮像された画像の解析の際には、撮像した植物の茎の上端部を対象の植物の成長点とし、成長点から例えば２０ｃｍ下の部分の茎の直径を測定する。茎の直径は、二度の撮像の各々において得られた茎の直径をパラメーターとして幾何学に基づく演算により算出する。これらのパラメーターは全て、背景板に設けられたマーカーを基準として求められる。

〔実施例〕
以下、本発明の実施形態に係る植物の寸法測定方法について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下では、植物の寸法測定について、植物の茎の直径の測定を実施例として示す。また、以下の実施例はあくまで本発明に係る植物の寸法測定方法の一例に過ぎず、寸法測定の対象や寸法測定において使用する手順等を限定する趣旨ではない。

＜寸法測定手法＞
図１は、撮像機１を用いて植物の茎２を撮像する様子を示す模式図である。撮像機１として、例えばデジタルカメラ等を用いることが多い。図２は、図１に示す背景板３の表面の特徴を示す模式図である。背景板３は白色であることが多い。背景板３を背後に配置し、撮像機１を用いて撮像した植物の茎２は、画像解析において測定箇所が特定され、その部分の直径が測定される。植物の茎２を撮像する際、植物の茎２は背後の背景板３に密着していることが理想的であるが、実際には枝や葉の存在による植物の成長点の立体性により、植物の茎２と背景板３の間にＨ_２だけの距離が生じてしまう。ここで、植物の成長点とは、植物の茎の先端にある細胞分裂の活発な部分のことを指す。

図１に示すように、植物の茎２の直径の真値はＤ_１であるが、植物の茎２が背景板３に密着しているものとして植物の茎２の直径が測定されるため、植物の茎２の直径の測定値はＤ_２となってしまう。Ｄ_２はＤ_１より値が大きいため、植物の茎２の直径の測定値は真値を超えてしまう。撮像する際には、撮像機１から植物の茎２の間の距離であるＨ_１が分かればＤ_１が算出可能であるが、Ｈ_２、及び撮像機１から背景板３の間の距離であるＨ_３
の測定が困難であるため、Ｈ_３とＨ_２の差であるＨ_１を求めることは困難である。植物の茎２の直径の測定においては、この測定誤差を排除する方法が求められる。

なお、植物の茎２の直径等の寸法測定は、図２に示す背景板３を用いて、撮像された画像を利用して行う。背景板３は、図２の向きで右上と左上の２ヶ所にマーカーエリア４を有し、マーカーエリア４内のそれぞれに複数のマーカー５を有する。撮像時の背景板３の上下の向きは不問である。ここで、マーカー５は、本発明における寸法の基準に相当する。

背景板３を背後に配置して植物の茎２を撮像した画像上において、複数のマーカー５は、あらかじめ基準となる位置座標が決まっており、画像上の複数のマーカー５どうしの間のピクセル数と、対象となる植物の茎２の幅のピクセル数から植物の茎２の直径を測定することが可能である。なお、マーカー５の形状は、黒色に塗りつぶされた円形であることが多い。また、マーカー５は、２ヶ所のマーカーエリア４内に少なくとも１つずつあればよい。撮像機１を用いて撮像する際には、マーカーエリア４が完全に撮像範囲に収まるようにする。また、撮像する際には、マーカーエリア４に影が重ならないようにする。

背景板３は、測量線６も有しており、例えば植物の葉の幅等の測定に用いることが可能である。なお、図２に示す背景板３における、縦横に垂直に交わる実線は全て測量線であり、実際には寸法測定の補助として用いる目盛りが表示されているが、図２中では省略する。植物の茎２は、撮像する際には、点線で囲い表示した測定エリア７に入るように位置合わせをする。測量線６と植物の茎２は、撮像時にはほとんど平行な位置関係にあるため、植物の上端部から直径の測定対象となる部分までのおおよその距離が分かる。

次に、撮像機１を用いて植物の茎２を撮像する際、図２に示す背景板３を植物の茎２の背後に配置し、撮像する際には植物の茎２と背景板３の間の距離は変更せず、撮像機１の移動のみによって撮像距離を変更し、撮像は撮像距離を変更しつつ二度行う。このようにして得られる画像を用いて植物の茎２の直径を測定する方法について説明する。

図３は、植物の茎２と背景板３の間の距離は変更せず、撮像機１の移動のみによって撮像距離を変更し、二度の撮像を行う様子を示す模式図である。図３（ａ）に、二度の撮像における撮像機１、植物の茎２及び背景板３の位置関係を上から見た様子の簡略図を示す。二度の撮像のうち、植物の茎２に対して遠くから撮像した際の撮像機１の位置をｐｏｓｉｔｉｏｎ１、近くから撮像した際の撮像機１の位置をｐｏｓｉｔｉｏｎ２とする。また、ｐｏｓｉｔｉｏｎ１における、マーカー５の間の距離を基準として得られる撮像範囲をｘ_１、同様にして得られる植物の茎２の直径をｄ_１とし、ｐｏｓｉｔｉｏｎ２における、マーカー５の間の距離を基準として得られる撮像範囲をｘ_２、同様にして得られる植物の茎２の直径をｄ_２とする。ここで、撮像範囲とは、画像解析プログラムを用いた解析における、画像の幅のことを指す。

植物の茎２の直径の真値であるｄ_０はｘ_１、ｘ_２、ｄ_１、ｄ_２を用いて幾何学に基づく計算によって算出することができる。ｄ_０は数式（１）で表すことができる。

ここで、茎の直径が異なる二種類の植物（植物Ａ及び植物Ｂとする）について、数式（１
）を用いて得られたｄ_０の値を真値と比較した検証結果を表１に示す。

表１に示す通り、数式（１）を用いて得られたｄ_０の値と真値との計測誤差は、目標範囲である絶対値１ｍｍ以内に収束した。

また、図３（ｂ）に、ｐｏｓｉｔｉｏｎ１とｐｏｓｉｔｉｏｎ２の各々において、撮像機１によって撮像された植物及び背景板３の画像の簡略図を示す。ここでは、各ｐｏｄｉｔｉｏｎで撮像された画像における、背景板３が有するマーカー５どうしの間の距離と、対象となる植物の茎２の幅とから、各画像における植物の茎２の直径を測定する。実際には、撮像機１で得られた画像において、背景板３が有するマーカー５どうしの間の距離は、画像上のマーカー５の中心に対応するピクセルの間に存在するピクセル数として取得してもよい。また、植物の茎２の幅は、茎２の水平方向の両端に対応するピクセルの間に存在するピクセル数として取得してもよい。図３（ｂ）においてＷと表示した、マーカー５どうしの間の距離は例えば３０ｃｍである。なお、撮像の際には、背景板３が撮像範囲に入れば、植物は真ん中に位置している必要はなく、また、角度をつけて撮像してもよい。

図４は、撮像後に所定の画像解析プログラムを用いて、植物の茎２の直径を測定する様子を示す模式図である。ここでは背景板３は、簡略的に示す。ここで、画像解析プログラムは、撮像機１で撮像した植物の茎２と背景板３を含む画像から、植物の茎２の寸法測定箇所における直径を算出するために準備されたプログラムである。画像解析プログラムは、一般的なＰＣ（図示省略）に読み込まれ、ＰＣが有するＲＯＭ等のメモリに格納され、ＰＣのＣＰＵによって実行されてもよい。撮像機１が一般的なデジタルカメラである場合には、撮像機１で撮像された画像がＰＣに取り込まれた上で、画像解析プログラムによって、画像が呼び出され解析される。撮像機１が例えばスマートフォンや、タブレット型ＰＣである場合には、画像解析プログラムも当該スマートフォンやタブレット型ＰＣに読み込まれ、撮像後にそのまま画像解析する事が可能としてもよい。画像解析プログラムにおいて、撮像された植物の上端部から植物の茎２の方向に沿って下方になぞると、なぞった軌跡が画像上に表示される。なお、なぞった軌跡は図４（ａ）に示すように太線で表示される。なぞった軌跡の始端を植物の成長点と認識し、植物の茎２の直径の測定点は、成長点から２０ｃｍ下の部分である。Ｌは成長点から下方に植物の茎２の方向に沿った長さを表しており、成長点からの下方への垂直距離を表しているわけではない。

図４（ｂ）に示すように、画像解析プログラムを用いた解析においては、Ｌの値を横軸に、茎の直径の値を縦軸に取ったグラフが出力される。植物の茎は、一般的に下方ほど太くなる傾向があり、図４（ｂ）に示す通り、Ｌの値が大きいほど茎の直径の値も大きくなる。茎の直径の測定において、図４（ａ）に示す通りに画像上の植物の茎をなぞった際、Ｌの値に応じてなぞった軌跡の各々のポイントで茎の幅の算出を行う。各々のポイントにおける茎の幅は、背景板３が有するマーカー５の間の距離を基準に決定され、決定された幅の値を各ポイントにおける茎の直径とする。

なお、撮像の際に、植物の茎２がその植物の枝や葉とかぶり、解析においてかぶった部分の植物の茎２が認識されず、連続性のある植物の茎２が途切れて認識されることがある
ため、本実施例における画像解析プログラムでは、撮像により得られた茎の端部の曲線のうち、途切れた部分に対して直線やスプライン曲線を後から補完することが可能である。このようにして、画像解析において、植物の茎２を連続性のあるものとして認識することが可能である。図４（ｂ）では、Ｌ＝２０のときの茎２の直径が、植物の茎２の直径の測定値とされる。

図５は、撮像機１で植物の茎２と背景板３を撮像する際に、測定者が見る撮像画面中における撮像マスク８を示す模式図である。背景板３は、簡略的に示す。植物の茎２を撮像する際、植物の茎２は、背景板３における、図２に示す測定エリア７内に入る必要がある。撮像画面中において、植物の茎２の位置合わせは重要であるので、それを容易にすべく、二重字の「王」字型の撮像マスク８を表示させる。なお、図５では簡略的に示すが、撮像マスク８は「王」字の枠内のみ明るく、枠外は影がかかっており、撮像者にははっきりと見えない。撮像マスク８の枠内に、植物の茎２とマーカーエリア４が入っていることが撮像時の必要条件である。本実施例では、このように、撮像機１による撮像時に、測定者が見る撮像画面上に撮像マスク８が表示され、植物の茎２とマーカーエリア４とをその枠内に配置することで、植物の茎２と背景板３との位置関係を容易に定めることができ、植物の茎２の直径の測定精度を向上させることができる。なお、撮像マスク８はあくまで植物の茎２の位置合わせを容易にするためのツールに過ぎず、撮像画面中に必須のものではない。また、撮像マスク８の形状は、植物の茎２とマーカーエリア４がその枠内に入れば、「王」字型である必要はなく、例えば「Ｔ」字型であってもよい。また、「＋」型等、文字の型でなくてもよい。

本実施例に示した寸法測定方法により、植物の茎２の固定のための接触を除いて、植物の茎２にほとんど接触することなく、且つ植物の茎２の直径を高精度に測定することが可能となる。測定精度について、具体的には真値に対して絶対値が１ｍｍ以内の誤差に収めることが可能となった。一般的に、植物は成長段階毎に最適な成長バランスを実現することが必要であり、植物の茎２の直径の測定は、成長バランスに必要となる栄養成長を管理する指標の一つとなる。

なお、以下には本発明の構成要件と実施例の構成とを対比可能とするために、本発明の構成要件を図面の符号付きで記載しておく。
＜発明１＞
撮像機（１）で撮像した植物の寸法を測定するための植物の寸法測定方法であって、
前記撮像機で前記植物を撮像する際には、寸法の基準（５）が記された背景板（３）を前記植物の背後に配置し、
前記植物の寸法測定箇所を撮像する際、前記寸法測定箇所と前記背景板の間の距離は変更せず、前記撮像機の移動のみによって撮像距離を変更して複数回にわたって撮像し、
前記植物の寸法は、
前記背景板の前記寸法の基準を用いて得られた、各撮像における前記寸法測定箇所の寸法及び各撮像における前記撮像機による撮像範囲に基づいて測定されることを特徴とする、
植物の寸法測定方法。

１：撮像機
２：植物の茎
３：背景板
４：マーカーエリア
５：マーカー
６：測量線
７：測定エリア
８：撮像マスク

Claims

撮像機で撮像した植物の寸法を測定するための植物の寸法測定方法であって、
前記撮像機で前記植物を撮像する際には、寸法の基準が記された背景板を前記植物の背後に配置し、
前記植物の寸法測定箇所を撮像する際、前記寸法測定箇所と前記背景板の間の距離は変更せず、前記撮像機の移動のみによって撮像距離を変更して複数回にわたって撮像し、
前記植物の寸法は、
前記背景板の前記寸法の基準を用いて得られた、各撮像における前記寸法測定箇所の寸法の取得値及び各撮像における前記撮像機による撮像範囲に基づいて測定されることを特徴とする、
植物の寸法測定方法。
前記植物の寸法測定箇所は、前記植物の成長点から所定長さ下の部分の茎の直径であることを特徴とする、
請求項１に記載の植物の寸法測定方法。
前記寸法の基準は、白色の前記背景板上に配置された、互いの距離が既知である複数のマーカーであることを特徴とする、
請求項１または２に記載の植物の寸法測定方法。
前記寸法測定箇所の撮像において、前記撮像機の撮像画面中に枠型の形状の撮像マスクを表示させ、
撮像の際には、前記寸法測定箇所及び前記寸法の基準を、前記撮像機の撮像画面において前記撮像マスクの内部の所定位置に配置させることで、前記寸法測定箇所と前記寸法の基準の位置関係を確定することを特徴とする、
請求項１から３のいずれか一項に記載の植物の寸法測定方法。