TWM567355U

TWM567355U - Multispectral image analysis system architecture

Info

Publication number: TWM567355U
Application number: TW107208156U
Authority: TW
Inventors: 張簡慶賓
Original assignee: 台灣海博特股份有限公司
Priority date: 2018-06-16
Filing date: 2018-06-16
Publication date: 2018-09-21
Also published as: US20190383730A1

Abstract

本新型是一種多光譜影像分析系統架構，其包含：一載具系統、一電源控制器、一閃頻曝光器、一光譜傳感器、一多光譜光源控制系統、一白板校正儀、一環境控制系統、一人機介面控制器、至少一光學攝影系統及一影像擷取分析系統。本創作具穩定環境控制條件下，提供複數標的物樣品同時培殖，並利用本創作之多光譜光源觀察標的物樣品的各種生理及病理特徵，獲得複數標的物樣品表型及光譜差異之比較，以作為分析判斷之參考。

Description

多光譜影像分析系統架構

本新型涉及用於多數量生物樣品之培殖及自動化監控分析系統架構，其特徵為具有環境控制系統能固定生物樣品位置長時間定期培養，且具備多光譜光源控制系統提供拍攝生物樣品表型之特定多光譜光源。

由於科技的進步與發達，目前遙測技術已廣泛應用於日常生活，如氣象播報員利用天氣雲圖解說未來的天氣、測量人員利用航空相片來製作地圖、環境學者依賴遙測收集環境資訊、農業人員判識遙測影像以監測農作物生長的狀況等。由於遙測技術能在最短的時間內收集大範圍的資料，已成為瞭解大地不可或缺的利器。廣義的來說，遙測是一種使用感測器在不接觸物體的情況下收集目標物資訊的技術，依據感測器又分為主動式（光達、微波遙測）及被動式（光學遙測）兩種。為了收集大範圍的資訊，利用如飛機或人造衛星等載具將感測器載到空中，對地面、海洋或大氣進行偵測，將所得的資料記錄下來作為分析之用。而高光譜影像是光學遙測的一種，光學遙測是利用各種物質在不同波段接收太陽光的反射值差異，使各種物質擁有獨特的光譜反射曲線，其可以分析辨別出特定物質，解決單純照片於同一顏色所造成誤判之狀況。

感測器技術的發展，遙測影像的光譜解析度已由先前多光譜影像的數個或數十個波段，提昇到目前高光譜影像的數百個波段。由於光譜解析度的提升，使得收集到物質資料的光譜曲線更貼近物質真實的光譜曲線，也因此有助於物質的偵測及分類。其中高光譜影像應用主要分為三類，包括目標識別、背景物特性描述和異常物偵測三大類應用。目標識別包含：目標物偵測、標物識別及標物分類，可用於變遷偵測以及物質狀態的監控；背景物特性描述的對象包含地表的覆蓋物、水文和大氣，可應用於海岸線的偵測、淺水地區地形結構的建立等；異常物偵測是在一塊未知的區域中找出其光譜與背景物之光譜有顯著不同的目標物。使用高光譜影像進行分析辨別時，首要的問題在於地面解析度的不足，造成許多訊號來源會嵌入在同一個像素之內，因此傳統以空間為基礎之影像處理技術已不適用，取而代之的是以光譜為基礎的次像素目標偵測法來處理這樣的問題，再利用空間或光譜特性對目標物進行分析與辨別。由於一個像素內可能包含兩種以上之物質，亦即不再為純像素，傳統的純像素分類方法便無法有效地解決這類的問題，因此必須將每一像素視為一混合像素，再以線性光譜混合模型(linear spectral mixture model)來處理。線性光譜混合模型是一個廣泛被應用在遙測影像中偵測與量化個別物質的技術，其概念為將每一像素中各個物質含量視為線性分布而所建立出像素光譜模型。光譜模型建立後，再運用適當的方法來解此線性式，即可完成物質辨識、偵測、分類及量化等工作。

高光譜影像之應用日趨廣泛，地貌判識、農業栽種、水文檢測、生態環境監控及軍事目標物偵測皆為目前主要之應用領域，因此世界各地的遙測學者無不紛紛投入這個知識化影像的發展與研究。惟，高光譜之波段較小約1~6nm，波段數多，因此價格昂貴，所收集光譜影像數據量龐大，需要超級電腦才足以分析，難以分析小範圍特定區域之影像，僅適用於大面積農業上影像判別。因此，低價位高光譜發展備受重視，波段較大約60nm，但足以提供小面積生物表型分析之使用。

先前技術針對光譜分析被測物之研究，如中華民國專利公告號I405957、I522607、I592650及200946896所揭露，新式光譜測試方法與架構，以及能以行動裝置接收檢測裝置之資訊，電漿產生之光譜來分析被測物之元素。其先前技術包括生物生長媒介之自動化分析影像技術及分析技術。另外，針對多樣本生物體影像分析之研究，如美國專利公告號US20180004872A1所揭露，一組模型生物體中的集體複雜特性的一種識別和分類方法，包括於生物體之群體樣本中植入RFID發射器來定位，收集一時間內的一系列影像，以計算生物體的特徵。

亦有針對於環控條件下之多生物體樣本影像分析研究，如美國專利公告號US20120186154A1所揭露，一種用於在受控制環境中多個植物栽培或表型的自動裝置，該自動裝置包括有多個可移動栽培物的支撐板，該支撐板能連續移動至特定位置。能顯著減少栽培環境條件或表型變異。惟，栽培生物除受環境條件所影響，對於生物體受病蟲害之影響變異更為明顯，無法僅由單純圖像觀察出變異，因此，對於如何縮短生物體之生理及病理研究，光譜分析成為生物科技技術發展的重要課題。

本創作之創作人從事培殖環境控制系統及生物體表型分析產業工作多年，深知其生物體之生理及病理研究，其樣品數目再現試驗時間長，病理表型分析光譜波段仍有不足之處須解，乃致力於發展多光譜影像分析系統架構開發。本新型是一種多光譜影像分析系統架構，其包含：一載具系統，提供標的物樣品放置及培殖之容置空間，且容納部分或全部之電源控制器、閃頻曝光器、光譜傳感器、多光譜光源控制系統、白板校正儀、環境控制系統、人機介面控制器及光學攝影系統之具開合蓋體之隔離體；一電源控制器，連接閃頻曝光器、光譜傳感器、多光譜光源控制系統、白板校正儀、環境控制系統、人機介面控制器及光學攝影系統，並提供其運作所需之電源；一閃頻曝光器，提供閃光燈源照射於標的物樣品，其標的物樣品之反射光輔助光學攝影系統拍攝影像；一光譜傳感器，設置於閃頻曝光器及多光譜光源控制系統之照射範圍內監測波長及照度資訊，並回傳其資訊至人機介面控制器；一多光譜光源控制系統，設置於標的物樣品上方或側方，提供16~20種波段且波段間距25~45nm之多光譜光源，受人機介面控制器控制電源開關或光照強度調整；一白板校正儀，設置於光學攝影系統之鏡頭拍攝範圍，量測標的物樣品座標位置，且將數據資料回傳至人機介面控制器校正灰階及高度焦距，以提高光學攝影系統所拍攝之影像品質；一環境控制系統，部分設置於載具系統內外提供其內外熱交換，提供載具系統內部空間穩定的環境條件及環境條件監控，並將監控數據回傳至人機介面控制器；一人機介面控制器，雙向連結電源控制器、閃頻曝光器、光譜傳感器、多光譜光源控制系統、白板校正儀、環境控制系統及光學攝影系統，以控制各部件運作及接收各部件之實際監測資訊；至少一光學攝影系統，設置於標的物樣品上方或側方，以拍攝標的物樣品並將影像回傳至人機介面控制器；及一影像擷取分析系統，雙向連結人機介面控制器，接收人機介面控制器所取得各部件之實際監測資訊進行分析，並可將分析後數據傳達至人機介面控制器做環境控制參數補償或操作。其中，載具系統之容置空間提供複數標的物樣品放置及培殖，以進行比對分析。多光譜光源控制系統之光譜波長範圍介於330~1100nm。多光譜光源控制系統可調控單一發光源開關及單一發光源強弱。環境控制系統含溫度控制器與濕度控制器，以控制環境條件包含溫度、濕度及鹽份至少一種條件。人機介面控制器包含設置於載具系統外表面之顯示器單元、觸控單元及按鍵單元至少一單元，以提供使用者監視及輸入控制條件。光學攝影系統具有拍攝2D圖像、影片、縮時攝影、3D圖像及影像，提供使用者判讀。更進一步，光學攝影系統包含機械手臂或滑軌機構，提供光學攝影系統之攝影鏡頭移動拍攝標的物樣品。其中，機械手臂或滑軌機構具前後、左右和上下至少一移動方向，並提供攝影鏡頭及閃頻曝光器架設及移動。影像擷取分析系統分析植物特徵包含：光譜特徵、生長速度、病理分析、培殖表型觀察、擴散速率、擴散覆蓋面積及複數樣本表型比例分布，以收集之影像、座標及光譜特徵提供多維度數據資料，進一步做數據分析。本新型具能控制於穩定環境條件下，提供複數標的物樣品同時長時間培殖，並利用本創作之多光譜光源觀察標的物樣品的各種生理及病理特徵，獲得複數標的物樣品表型及光譜差異之比較，以作為用藥時機之判斷參考。其環境控制架構及多光譜特徵有別於過去習知技藝具差異化，其新穎、進步及實用效益無誤。有關本創作所採用之技術、手段及其功效，茲舉一較佳實施例並配合圖式詳細說明於後，相信本創作上述之目的、構造及特徵，當可由之得一深入而具體的瞭解。

以下係藉由特定的具體實施例說明本創作之實施方式，熟習此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地了解本創作之其他優點與功效。本創作亦可藉由其他不同的具體實施例加以施行或應用，本說明書中的各項細節亦可基於不同觀點與應用，在不悖離本創作之精神下進行各種修飾與變更。

首先敬請閱第1圖係顯示本創作多光譜影像分析系統架構圖，並參閱第2圖做說明本新型是一種多光譜影像分析系統架構，其包含：一載具系統101，提供標的物樣品1101放置及培殖之容置空間，且容納部分或全部之電源控制器201、閃頻曝光器301、光譜傳感器401、多光譜光源控制系統501、白板校正儀601、環境控制系統701、人機介面控制器801及光學攝影系統901之具開合蓋體之隔離體；一電源控制器201，連接閃頻曝光器301、光譜傳感器401、多光譜光源控制系統501、白板校正儀601、環境控制系統701人機介面控制器801及光學攝影系統901，並提供其運作所需之電源；一閃頻曝光器301，提供閃光燈源照射於標的物樣品1101，其標的物樣品1101之反射光輔助光學攝影系統901拍攝影像；一光譜傳感器401，設置於閃頻曝光器301及多光譜光源控制系統501之照射範圍內監測波長及照度資訊，並回傳其資訊至人機介面控制器801；一多光譜光源控制系統501，設置於標的物樣品1101上方或側方，提供16~20種波段且波段間距25~45nm之多光譜光源，受人機介面控制器801控制電源開關或光照強度調整；一白板校正儀601，設置於光學攝影系統901之鏡頭拍攝範圍，量測標的物樣品1101座標位置，且將數據資料回傳至人機介面控制器801校正灰階及高度焦距，以提高光學攝影系統901所拍攝之影像品質；一環境控制系統701，部分設置於載具系統101內外提供其內外熱交換，提供載具系統101內部空間穩定的環境條件及環境條件監控，並將監控數據回傳至人機介面控制器801；一人機介面控制器801，雙向連結電源控制器201、閃頻曝光器301、光譜傳感器401、多光譜光源控制系統501、白板校正儀601、環境控制系統701及光學攝影系統901，以控制各部件運作及接收各部件之實際監測資訊；至少一光學攝影系統901，設置於標的物樣品1101上方或側方，以拍攝標的物樣品1101並將影像回傳至人機介面控制器；及一影像擷取分析系統1001，雙向連結人機介面控制器801，接收人機介面控制器801所取得各部件之實際監測資訊進行分析，並可將分析後數據傳達至人機介面控制器801做環境控制參數補償或操作。其中，載具系統101之容置空間提供複數標的物樣品1101放置及培殖，以進行比對分析。多光譜光源控制系統501之光譜波長範圍介於330~1100nm。多光譜光源控制系統501可調控單一發光源開關及單一發光源強弱。環境控制系統701含溫度控制器與濕度控制器，以控制環境條件包含溫度、濕度及鹽份至少一種條件。人機介面控制器801包含設置於載具系統外表面之顯示器單元、觸控單元及按鍵單元至少一單元，以提供使用者監視及輸入控制條件。光學攝影系統901具有拍攝2D圖像、影片、縮時攝影、3D圖像及影像，提供使用者判讀；設置複數光學攝影系統901，能利用具備雙鏡頭硬體，拍攝標的物樣品1101之景深差可後端製作出3D影像。更進一步，光學攝影系統901包含機械手臂或滑軌機構，提供光學攝影系統901之攝影鏡頭移動拍攝標的物樣品1101。其中，機械手臂或滑軌機構具前後、左右和上下至少一移動方向，並提供攝影鏡頭及閃頻曝光器301架設及移動。影像擷取分析系統1001硬體包含：一電腦主機10011運算及控制其系統，及一螢幕10012提供使用者判讀影像及讀取數據；其影像擷取分析系統1001可分析植物特徵包含：光譜特徵、生長速度、病理分析、培殖表型觀察、擴散速率、擴散覆蓋面積及複數樣本表型比例分布，以收集之影像、座標及光譜特徵提供多維度數據資料，進一步做數據分析。

第2圖中實線箭號表示光之傳遞方向示意，即當多光譜光源控制系統501發出特定波長光源並照射於標的物樣品1101、光譜傳感器401及白板校正儀601，其標的物樣品1101反射出其特定波長之反射光傳遞至光學攝影系統901之鏡頭，提供光學攝影系統901捕捉該光譜影像，以作為後段影像擷取分析系統1001可分析影像座標及光譜波長表現之依據。虛線箭號則為閃頻曝光器301所發出之閃光燈源，其照射於標的物樣品1101，以輔助光學攝影系統901拍攝影像，如螢光光譜影像之輔助光源，或特殊波段閃頻之輔助光源。

為使審查委員更進一步了解本創作實際應用情境，舉例植物培育之分析與應用領域，第3圖及第4圖係顯示本創作多光譜影像分析系統架構圖之第一時間與第二時間表型分析圖，其明顯觀察出兩不同時間下拍攝出植物之表型，能夠判斷於特定環境條件下培殖表型觀察，以及可搭配右上角特定光譜之波段資訊，得以研判出植物栽培過程中受到何種病菌侵害，如圖中葉面上呈現白色光點處為病菌侵害區域，可觀察其病菌侵害區域之變化趨勢，得以收集該植物之病理分析、擴散速率、擴散覆蓋面積，以作為下階段處理決策之判斷依序，亦可作為新藥或新品種生物，加速繁殖之培育空間，快速獲取精確且大量的樣本數據。

第5圖係顯示本創作多光譜影像分析系統架構示意圖之複數標的物樣品光譜分析圖，可依據光譜波段做影像分析，於一定拍攝範圍內，比較複數標的物樣品之生理或病理對於光譜反射或吸收的圖像表現差異。光譜傳感器可偵測並回傳波段及照度監測。能將各種特定病菌於特定多光譜下之影像表現，經持續時間觀察資料進入資料庫中，影像結合光譜數據以多維度資訊作為大據分析，能幫助使用者多種變異條件下光譜波段與生物體成長及遭受破壞的觀察。由於本創作是將植物樣品固定位置下栽種與多光譜分析，無需移動植物樣品位置即不會使植物樣品座標位置改變，有利於定點觀察植物之葉面與高度特徵，並可執行攝影功能將單一植物樣品或複數物樣品做長時間縮時攝影，可觀察植物於載具系統中栽培時期下成長過程與變化。更對於光敏感之生物體，不會因為需移動生物體樣品而使該生物體樣品暴露在其他光譜的變數環境下，造成試驗數據誤差。又因為光譜照射會產生熱源，本創作具有環境控制系統，能減少光譜輻射熱能造成的環境條件誤差，可讓生物體於載具系統中長時間一週、一個月甚至三個月以上的長時間培殖與拍攝。

本新型乃是一種具複數標的物樣品1101於環境控制下同時培殖功能，並利用本新型之多光譜光源控制系統501提供特定波段光源，並照射標的物樣品，其所反射之特定波段光譜，經光學攝影系統901拍攝影像及標示影像中各座標之反射之特定波段光譜特徵，以判斷各座標之何種生理及病理之特徵，並得以複數標的物樣品做表型及光譜差異之比較，作為用藥時機之判斷參考。本新型環境控制架構及多光譜特徵有別於過去習知技藝具差異化，其新穎、進步及實用效益無誤。故可有效改進習知缺失，使用上有相當大之實用性。

綜觀上述，本創作實施例所揭露之具體構造，確實能提供多光譜分析及長時間生物體培殖之應用，以其整體結構而言，既未曾見諸於同類產品中，申請前亦未見公開，誠已符合專利法之法定要件，爰依法提出新型專利申請。

惟以上所述者，僅為本創作之一較佳實施例而已，當不能以此限定本創作實施之範圍，即大凡依本創作申請專利範圍及創作說明書內容所作之等效變化與修飾，皆應仍屬本創作專利涵蓋之範圍內。

101‧‧‧載具系統
201‧‧‧電源控制器
301‧‧‧閃頻曝光器
401‧‧‧光譜傳感器
501‧‧‧多光譜光源控制系統
601‧‧‧白板校正儀
701‧‧‧環境控制系統
801‧‧‧人機介面控制器
901‧‧‧光學攝影系統
1001‧‧‧影像擷取分析系統
10011‧‧‧電腦主機
10012‧‧‧螢幕
1101‧‧‧標的物樣品

第1圖係顯示本創作多光譜影像分析系統架構圖。第2圖係顯示本創作多光譜影像分析系統架構示意圖。第3圖係顯示本創作多光譜影像分析系統架構圖之第一時間表型分析圖。第4圖係顯示本創作多光譜影像分析系統架構示意圖之第二時間表型分析圖。第5圖係顯示本創作多光譜影像分析系統架構示意圖之複數標的物樣品光譜分析圖。

Claims

一種多光譜影像分析系統架構，其包含：一載具系統，提供標的物樣品放置及培殖之容置空間，且容納部分或全部之電源控制器、閃頻曝光器、光譜傳感器、多光譜光源控制系統、白板校正儀、環境控制系統、人機介面控制器及光學攝影系統之具開合蓋體之隔離體；一電源控制器，連接閃頻曝光器、光譜傳感器、多光譜光源控制系統、白板校正儀、環境控制系統、人機介面控制器及光學攝影系統，並提供其運作所需之電源；一閃頻曝光器，提供閃光燈源照射於標的物樣品，其標的物樣品之反射光輔助光學攝影系統拍攝影像；一光譜傳感器，設置於閃頻曝光器及多光譜光源控制系統之照射範圍內監測波長及照度資訊，並回傳其資訊至人機介面控制器；一多光譜光源控制系統，設置於標的物樣品上方或側方，提供16~20種波段且波段間距25~45nm之多光譜光源，受人機介面控制器控制電源開關或光照強度調整；一白板校正儀，設置於光學攝影系統之鏡頭拍攝範圍，量測標的物樣品座標位置，且將數據資料回傳至人機介面控制器校正灰階及高度焦距，以提高光學攝影系統所拍攝之影像品質；一環境控制系統，部分設置於載具系統內外提供其內外熱交換，提供載具系統內部空間穩定的環境條件及環境條件監控，並將監控數據回傳至人機介面控制器；一人機介面控制器，雙向連結電源控制器、閃頻曝光器、光譜傳感器、多光譜光源控制系統、白板校正儀、環境控制系統及光學攝影系統，以控制各部件運作及接收各部件之實際監測資訊；至少一光學攝影系統，設置於標的物樣品上方或側方，以拍攝標的物樣品並將影像回傳至人機介面控制器；及一影像擷取分析系統，雙向連結人機介面控制器，接收人機介面控制器所取得各部件之實際監測資訊進行分析，並可將分析後數據傳達至人機介面控制器做環境控制參數補償或操作。
如請求項1所述之多光譜影像分析系統架構，其中，載具系統之容置空間提供複數標的物樣品放置及培殖，以進行比對分析。
如請求項1所述之多光譜影像分析系統架構，其中，多光譜光源控制系統之光譜波長範圍介於330~1100nm。
如請求項1所述之多光譜影像分析系統架構，其中，多光譜光源控制系統可調控單一發光源開關及單一發光源強弱。
如請求項1所述之多光譜影像分析系統架構，其中，環境控制系統含溫度控制器與濕度控制器，以控制環境條件包含溫度、濕度及鹽份至少一種條件。
如請求項1所述之多光譜影像分析系統架構，其中，人機介面控制器包含設置於載具系統外表面之顯示器單元、觸控單元及按鍵單元至少一單元，以提供使用者監視及輸入控制條件。
如請求項1所述之多光譜影像分析系統架構，其中，光學攝影系統具有拍攝2D圖像、影片、縮時攝影、3D圖像及影像，提供使用者判讀。
如請求項1所述之多光譜影像分析系統架構，更進一步，光學攝影系統包含機械手臂或滑軌機構，提供光學攝影系統之攝影鏡頭移動拍攝標的物樣品。
如請求項8所述之多光譜影像分析系統架構，其中，機械手臂或滑軌機構具前後、左右和上下至少一移動方向，並提供攝影鏡頭及閃頻曝光器架設及移動。
如請求項1所述之多光譜影像分析系統架構，其中，影像擷取分析系統分析植物特徵包含：光譜特徵、生長速度、病理分析、培殖表型觀察、擴散速率、擴散覆蓋面積及複數樣本表型比例分布，以收集之影像、座標及光譜特徵提供多維度數據資料，進一步做數據分析。