專利名稱：具有自動校準(zhǔn)功能的植物形態(tài)參數(shù)視覺測量儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測量技術(shù)領(lǐng)域的儀器，具體是一種具有自動校準(zhǔn)功能的植物 形態(tài)參數(shù)視覺測量儀。
背景技術(shù)：
精確自動地測量植物形態(tài)參數(shù)是實現(xiàn)植物生長情況自動控制的前提，也是農(nóng) 作物田間調(diào)査的主要內(nèi)容之一，更是種質(zhì)資源調(diào)査與鑒定、作物長勢分析與預(yù)測 的基礎(chǔ)。在眾多的植物形態(tài)參數(shù)中，尺寸類參數(shù)(例如株高、莖粗、葉片長寬與 面積等)和顏色參數(shù)(例如花色、葉色、種粒色)的測量難度最大，精度難于保 障。傳統(tǒng)的形態(tài)參數(shù)測量方法是對于尺寸參數(shù)采用人工用尺測量的方法，對于 顏色參數(shù)采用標(biāo)準(zhǔn)色塊比對的方法，費時費力，且結(jié)果不可靠，人為因素影響大。 有人采用接觸類傳感器或者輕質(zhì)夾具測定上述尺寸類參數(shù)，但對作物有損傷，且 操作復(fù)雜。
目前，發(fā)達(dá)國家已開始應(yīng)用機(jī)器視覺技術(shù)來獲取作物的生長狀態(tài)信息。這類 方法具有非接觸、自動化、高智能、多功能的一系列優(yōu)點。國內(nèi)也有一些研究單
位開始研究，但是這類方法的弊端是對于尺寸類參數(shù)，測量距離對結(jié)果影響很 大。測量過程中必須確定該距離，并進(jìn)行適當(dāng)補(bǔ)償與修正。對于顏色類參數(shù)，拍 攝圖像時環(huán)境光的影響很大，結(jié)果偏差大。
經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，中國專利"遠(yuǎn)程無線作物信息反饋和可控環(huán)境農(nóng)
業(yè)智能化系統(tǒng)"(申請?zhí)?00410004716. 5，公開號CN1559175)，公開了一種遠(yuǎn) 程無線作物信息反饋和可控環(huán)境農(nóng)業(yè)智能化系統(tǒng)，其中的生理診斷監(jiān)測系統(tǒng)由植 物生長數(shù)據(jù)傳感器和植物數(shù)據(jù)分析處理器組成，對執(zhí)行器件進(jìn)行智能化控制，它 能監(jiān)測記錄植物生長數(shù)據(jù)如莖粗、果實大小等，但專利并未明確采用何種傳感器 和原理，如何檢測上述參數(shù)。無顏色參數(shù)檢測內(nèi)容。
檢索中還發(fā)現(xiàn)，中國專利"一種用于農(nóng)作物生長狀態(tài)監(jiān)測及營養(yǎng)施肥處方 生成裝置和方法"(申請?zhí)?00410014648.0，公開號CN1561669)，使用攝像機(jī)和營養(yǎng)成分檢測儀對農(nóng)作物進(jìn)行實時監(jiān)測，圖像信號經(jīng)過數(shù)字化儀后，進(jìn)入計 算機(jī)數(shù)據(jù)庫，通過圖形處理獲得植物生長信息。但是并沒有詳細(xì)描述如何保障測 量精度。無顏色參數(shù)檢測內(nèi)容。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種具有自動校準(zhǔn)功能的植物 形態(tài)參數(shù)視覺測量儀，不僅可以采用攝像機(jī)全自動獲取被測目標(biāo)圖像，同時可以 自動測量攝像機(jī)與被測植物的距離，從而實現(xiàn)自動校準(zhǔn)圖像測量結(jié)果，保證測量 精度不變，可以滿足不同形態(tài)參數(shù)的自動測量要求。與此同時，采用白色發(fā)光二 極管進(jìn)行主動照明，克服了環(huán)境光對顏色參數(shù)測量的影響。此外，測量系統(tǒng)采用 基于DSP的一體化模塊設(shè)計和可充電鋰電池供電方案，從而構(gòu)成便攜式測量儀 器，并采用防水設(shè)計方案，可以適應(yīng)田間測量環(huán)境條件。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，本發(fā)明所述測量儀由探頭和測量箱兩部 分通過電纜連接組成，探頭包含有攝像機(jī)、鏡頭、光源、測距儀、按鍵、外殼和 電纜，鏡頭安裝在攝像機(jī)前端；光源由多個發(fā)光二極管組成環(huán)形結(jié)構(gòu)，圍繞在鏡 頭外側(cè)，測距儀設(shè)置在在鏡頭外側(cè)，并與上述多個發(fā)光二極管一起構(gòu)成環(huán)形結(jié)構(gòu)， 按鍵設(shè)置在外殼的正上方，電纜與后面的測量箱連接，傳遞測量與控制信號。
測量箱內(nèi)包含有微處理器、圖像卡、測量卡、驅(qū)動卡、顯示器、存儲器，探 頭對準(zhǔn)待測植株的需要測量的部位，通過外殼上方的按鍵控制探頭工作與否，光 源由微處理器通過驅(qū)動卡來控制點亮，照亮待測植物的測量部位，攝像機(jī)拍攝植 物圖像，并轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像，該圖像信息通過電纜和圖像卡送入微處理器進(jìn)行處 理。攝像機(jī)與被測部位的距離由激光測距儀進(jìn)行測量，該距離信息通過測量卡送 入微處理器中，微處理器對測量結(jié)果進(jìn)行自動修正和補(bǔ)償，經(jīng)過修正的測量結(jié)果 在顯示器上顯示，并自動保存在存儲器之中。
測量結(jié)束后，測量箱通過USB電纜將測量箱與其他電腦相連，把測量結(jié)果上 傳到另外電腦之中，進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總，生成各種所需要的報表。與此同時，通過 USB接口對測量箱內(nèi)的鋰電池充電。
所述微處理器為DSP微處理器.
所述攝像機(jī)為數(shù)字?jǐn)z像機(jī)，以便于同微處理器連接和傳遞圖像信號。像素在 一百萬像素以上。所述鏡頭為廣角鏡頭，其變形率<2%，視角〉60° 。
所述測距儀為激光測距儀，使用可見激光，直接測量攝像機(jī)到植物之間的實 際距離，并送入微處理器，在數(shù)據(jù)處理過程中對圖像測量結(jié)果自動進(jìn)行修正和補(bǔ) 償。
所述光源采用具有較寬光譜范圍的白色發(fā)光二極管(LED)光源，光譜范圍 包含整個可見光，照亮植物的待測部位，獲取待測圖像，并同測量儀內(nèi)置的標(biāo)準(zhǔn) 色塊圖像進(jìn)行對比，從而得到所需的顏色參數(shù)。
所述LED光源可有多個LED發(fā)光二極管組成，可為環(huán)形結(jié)構(gòu)，圍繞在鏡頭外 側(cè)，以便提供均勻的照明。
所述存儲器為大于1G的FLASH存儲器，它可以將獲取的圖像和處理結(jié)果同 時保存起來，即使斷電也不會丟失。在田間調(diào)査結(jié)束后，還可以上傳到其他電腦 中，進(jìn)一步進(jìn)行分析和處理。
所述顯示器為液晶顯示器。
所述探頭和測量箱全部采用防水、防塵、防振結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)防濺水、防灰塵、 防震動。探頭上所有外露器件均采用密封，實現(xiàn)防塵防水。 所述測量箱采用翻蓋式結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明采用采用高分辨率攝像機(jī)和大視角廣角鏡頭，非接觸獲取植物圖像， 并通過圖像處理、模式識別和數(shù)值計算獲得被測參數(shù)結(jié)果。采用激光測距儀探測 攝像機(jī)與被測部位的距離，自動進(jìn)行修正和補(bǔ)償，徹底解決了傳統(tǒng)測量方法對觀 測距離要求苛刻并需要手工進(jìn)行修正的弊端。采用白色LED光源進(jìn)行主動照明， 消除環(huán)境光對顏色參數(shù)測量的影響，保障測量結(jié)果的一致性和環(huán)境適應(yīng)性。采用 高性能DSP芯片和可充電鋰電池組成便攜式測量儀器，測量結(jié)果保存在內(nèi)部 FLASH存儲器中，可以滿足絕大多數(shù)田間調(diào)査的使用要求，并能保證較高的測量 精度。
本發(fā)明同樣也可以用于實現(xiàn)其他場合和目標(biāo)的長度、角度以及顏色測量器 具，例如動物、食品、服裝等場合。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)組成示意圖； 圖2為本發(fā)明的測量儀探頭示意圖；上述圖中l(wèi)為攝像機(jī)，2為鏡頭，3為測距儀，4為光源，5為探頭，6為 測量箱，7為測量箱，8為外殼，9為按鍵。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例作詳細(xì)說明本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案 為前提下進(jìn)行實施，給出了詳細(xì)的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù) 范圍不限于下述的實施例。
如圖1和圖2所示，本實施例測量儀由探頭5和測量箱7兩部分組成，探頭 5包含有攝像機(jī)1、鏡頭2、光源4、測距儀3、按鍵9、外殼8和電纜6，測量 箱7包含有DSP微處理器、圖像卡、測量卡、驅(qū)動卡、顯示器、存儲器、鍵盤、 USB接口、充電器和鋰電池。鏡頭2安裝在攝像機(jī)1前端；光源4由多個發(fā)光二 極管組成，為環(huán)形結(jié)構(gòu)，圍繞在鏡頭2外側(cè)；測距儀3占據(jù)其中一個發(fā)光二極管 的位置，結(jié)構(gòu)緊湊；按鍵9設(shè)置在外殼8的正上方，便于操作；電纜6與后面的 測量箱連接，傳遞測量與控制信號；DSP微處理器、圖像卡、測量卡、驅(qū)動卡、 顯示器、存儲器、鍵盤、USB接口、充電器和鋰電池等部件安置在測量箱內(nèi)。
操作者手持探頭5對準(zhǔn)待測植株的相關(guān)部位(例如整個植株、莖桿、豆莢、 葉片、種粒等部位)，然后按下探頭上方的按鍵9。在微處理器的控制下，照明 光源4被點亮并照亮待測植物的測量部位，植物在該部位的圖像通過鏡頭成像到 攝像機(jī)1的成像器件(例如CCD或者CMOS)上，并轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像。該圖像信 息通過電纜6和圖像卡送入微處理器進(jìn)行處理。攝像機(jī)與被測部位的距離由激光 測距儀3進(jìn)行測量，該距離信息通過電纜6和測量卡送入微處理器中，對測量結(jié) 果進(jìn)行自動修正和補(bǔ)償。經(jīng)過修正的測量結(jié)果在測量箱的液晶顯示器上顯示，并 自動保存在測量箱內(nèi)的存儲器之中。
本實施例當(dāng)全部測量工作結(jié)束之后，通過USB電纜將測量箱與其他電腦相 連，可以把測量結(jié)果上傳到另外電腦之中，進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總，生成各種所需要的報 表。與此同時，通過USB接口，充電器對測量箱內(nèi)的鋰電池充電。
本實施例的測量儀的攝像機(jī)1采用高像素的數(shù)字?jǐn)z像機(jī)， 一般采用USB接口 或者1394接口，以便于同測量箱6連接和傳遞圖像信號。成像器件可采用CCD 或者CMOS,其像素數(shù)一般高于一百萬，較佳地采用200萬像素，以便測量儀能 夠捕捉被測植物的細(xì)節(jié)信息(例如分蘗、絨毛、斑紋等)。為了保證測量儀能夠在較近距離測量較大尺寸的參數(shù)(例如株高)，本實施 例的鏡頭2采用了低變形率(<2%)、大視角(>60° )的廣角鏡頭甚至魚眼鏡頭， 并輔以鏡頭畸變校正算法，從而有效解決了田間采集時植株之間距離短、采集空 間距離有限的難題。
為了消除采樣時攝像機(jī)1與被測植株距離不同對測量結(jié)果產(chǎn)生的影響，本實 施例采用了內(nèi)置的激光測距儀3直接測量攝像機(jī)1到被測植物之間的實際距離， 并送入微處理器，在數(shù)據(jù)處理過程中對圖像測量結(jié)果自動進(jìn)行修正和補(bǔ)償，從而 有效解決了觀測距離對結(jié)果的影響，避免了傳統(tǒng)的視覺測量過程對觀測距離與位 置的苛刻限制，也避免了觀測結(jié)束后人工手動操作進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與距離修正的麻 煩與不便。
與此同時，本實施例采用的激光測距儀3使用可見激光，操作者可以清楚看 見測距儀3發(fā)出的激光在植物被測部位形成的光斑，因此操作者無需觀察屏幕即 可完成對被測部位的準(zhǔn)確瞄準(zhǔn)，其方法類似于使用激光指示器，非常方便、簡單。
為了消除環(huán)境光變化對顏色參數(shù)(例如花色、葉色、絨毛色、病斑色等)的 影響，本實施例的測量儀采用光源4進(jìn)行主動照明，而不是借助于自然光。為了 保證顏色測量的準(zhǔn)確性，降低系統(tǒng)功耗，增強(qiáng)耐用性，本實施例采用具有較寬光 譜范圍的白色發(fā)光二極管(LED)作為發(fā)光光源，光譜范圍包含整個可見光，照 亮植物的待測部位，獲取待測圖像，并同測量儀內(nèi)置的標(biāo)準(zhǔn)色塊圖像進(jìn)行對比， 從而得到所需的顏色參數(shù)。該標(biāo)準(zhǔn)色塊圖像是在光源4的照明下，對標(biāo)準(zhǔn)色塊進(jìn) 行拍攝所得到的標(biāo)準(zhǔn)圖像，并預(yù)先保存在測量儀的存儲器內(nèi)部，供顏色參數(shù)測量 時比對之用。該LED光源可有多個LED發(fā)光二極管組成，可為環(huán)形結(jié)構(gòu)，圍繞在 鏡頭外側(cè)，以便提高均勻的照明。
本實施例采用高性能DSP數(shù)字信號處理芯片為核心，完成圖像處理、數(shù)據(jù)運(yùn) 算、補(bǔ)償與修正、結(jié)果顯示與保存、對外通訊等所有工作，同時具有體積小、重 量輕、價格低、穩(wěn)定耐用的特點，由此形成便攜式測量儀器，滿足田間調(diào)查的要 求。
本實施例采用LCD液晶顯示器顯示攝取的圖像和處理結(jié)果，此外還可以顯示 各種有用的輔助信息。因此，同傳統(tǒng)的只顯示圖像的其他儀器相比，本實施例的 測量儀不僅功耗低，而且功能更多、性能更好、更實用。采用大容量(不低于1G，較佳地采用4G容量)的FLASH存儲器是本實施例 的一大特色，它可以將獲取的圖像和處理結(jié)果同時保存起來，即使斷電也不會丟 失。在田間調(diào)査結(jié)束后，還可以上傳到其他電腦中，進(jìn)一步進(jìn)行分析和處理。
本實施例的測量儀采用了USB通訊接口，因此可以方便地與PC機(jī)、打印機(jī) 或其他設(shè)備連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸、統(tǒng)計分析、打印結(jié)果與報表等。
本實施例的供電系統(tǒng)采用大容量(1000mAh，較佳地采用4000mAh以上)的 可充電式鋰電池，可以滿足測量儀長時間田間調(diào)查工作需要，同時又符合環(huán)保要 求。對鋰電池的充電直接利用USB接口，當(dāng)測量儀與其他電腦通過USB接口連接 時，自動對鋰電池進(jìn)行充電。當(dāng)充電結(jié)束后，自動停止充電過程。
本實施例的探頭5和測量箱7全部采用防水、防塵、防振結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)防濺水、 防灰塵、防震動。探頭上所有外露器件(包括按鍵9、激光測距儀3、光源4、 外殼8、電纜6等)均采用密封，實現(xiàn)防塵防水。測量箱7采用翻蓋式結(jié)構(gòu)，液 晶顯示器安置在頂蓋內(nèi)側(cè)，工作時翻開，類似于筆記本電腦。鍵盤具有防水功能， 可以克服水濺和雨滴的灑落。當(dāng)防水、防塵和防震等級要求降低時，可以采用防 水型或者普通型筆記本電腦代替測量箱。
權(quán)利要求
1、一種具有自動校準(zhǔn)功能的植物形態(tài)參數(shù)視覺測量儀，由探頭和測量箱兩部分通過電纜連接組成，其特征在于所述探頭包含有攝像機(jī)、鏡頭、光源、測距儀、按鍵、外殼和電纜，鏡頭安裝在攝像機(jī)前端；光源由多個發(fā)光二極管組成環(huán)形結(jié)構(gòu)，圍繞在鏡頭外側(cè)，測距儀3設(shè)置在在鏡頭外側(cè)，并與上述多個發(fā)光二極管一起構(gòu)成環(huán)形結(jié)構(gòu)，按鍵設(shè)置在外殼的正上方，電纜與后面的測量箱連接，傳遞測量與控制信號；所述測量箱內(nèi)包含有微處理器、圖像卡、測量卡、驅(qū)動卡、顯示器、存儲器，探頭對準(zhǔn)待測植株的需要測量的部位，通過外殼上方的按鍵控制探頭工作與否，光源由微處理器通過驅(qū)動卡來控制點亮，照亮待測植物的測量部位，攝像機(jī)拍攝植物圖像，并轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像，該圖像信息通過電纜和圖像卡送入微處理器進(jìn)行處理；攝像機(jī)與被測部位的距離由激光測距儀進(jìn)行測量，該距離信息通過測量卡送入微處理器中，微處理器對測量結(jié)果進(jìn)行自動修正和補(bǔ)償，經(jīng)過修正的測量結(jié)果在顯示器上顯示，并自動保存在存儲器之中。
2、 如權(quán)利要求1所述的具有自動校準(zhǔn)功能的植物形態(tài)參數(shù)視覺測量儀，其 特征是，所述攝像機(jī)為數(shù)字?jǐn)z像機(jī)，以便于同微處理器連接和傳遞圖像信號，其 成像器件的像素在一百萬像素以上。
3、 如權(quán)利要求1所述的具有自動校準(zhǔn)功能的植物形態(tài)參數(shù)視覺測量儀，其 特征是，所述鏡頭為廣角鏡頭，其變形率〈2%，視角>60° 。
4、 如權(quán)利要求1所述的具有自動校準(zhǔn)功能的植物形態(tài)參數(shù)視覺測量儀，其 特征是，所述測距儀為激光測距儀，直接測量攝像機(jī)到植物之間的實際距離，并 送入微處理器，在數(shù)據(jù)處理過程中對圖像測量結(jié)果自動進(jìn)行修正和補(bǔ)償。
5、 如權(quán)利要求1或4所述的具有自動校準(zhǔn)功能的植物形態(tài)參數(shù)視覺測量儀， 其特征是，所述測距儀為激光測距儀，其使用的為可見激光。
6、 如權(quán)利要求1所述的具有自動校準(zhǔn)功能的植物形態(tài)參數(shù)視覺測量儀，其 特征是，所述光源為白色發(fā)光二極管光源，光譜范圍包含整個可見光，照亮植物 的待測部位，獲取待測圖像，并同測量儀內(nèi)置的標(biāo)準(zhǔn)色塊圖像進(jìn)行對比，從而得 到所需的顏色參數(shù)。
7、 如權(quán)利要求6所述的具有自動校準(zhǔn)功能的植物形態(tài)參數(shù)視覺測量儀，其 特征是，所述標(biāo)準(zhǔn)色塊圖像是在光源的照明下，對標(biāo)準(zhǔn)色塊進(jìn)行拍攝所得到的標(biāo) 準(zhǔn)圖像，并預(yù)先保存在存儲器內(nèi)部，供顏色參數(shù)測量時比對之用。
8、 如權(quán)利要求1所述的具有自動校準(zhǔn)功能的植物形態(tài)參數(shù)視覺測量儀，其 特征是，所述存儲器為大于1G的FLASH存儲器。
9、 如權(quán)利要求1所述的具有自動校準(zhǔn)功能的植物形態(tài)參數(shù)視覺測量儀，其 特征是，所述探頭和測量箱為防水、防塵、防振結(jié)構(gòu)，探頭上所有外露器件均密 封。
10、 如權(quán)利要求1或9所述的具有自動校準(zhǔn)功能的植物形態(tài)參數(shù)視覺測量儀， 其特征是，所述測量箱為翻蓋式結(jié)構(gòu)。
全文摘要
一種具有自動校準(zhǔn)功能的植物形態(tài)參數(shù)視覺測量儀，采用高分辨率攝像機(jī)和大視角廣角鏡頭，非接觸獲取植物圖像，并通過圖像處理、模式識別和數(shù)值計算獲得被測參數(shù)結(jié)果。采用激光測距儀探測攝像機(jī)與被測部位的距離，自動進(jìn)行修正和補(bǔ)償，徹底解決了傳統(tǒng)測量方法對觀測距離要求苛刻并需要手工進(jìn)行修正的弊端。采用白色LED光源進(jìn)行主動照明，消除環(huán)境光對顏色參數(shù)測量的影響，保障測量結(jié)果的一致性和環(huán)境適應(yīng)性。采用高性能DSP芯片和可充電鋰電池組成便攜式測量儀器，測量結(jié)果保存在內(nèi)部FLASH存儲器中，可以滿足絕大多數(shù)田間調(diào)查的使用要求，并能保證較高的測量精度。
文檔編號G01B11/00GK101294792SQ20081003919
公開日2008年10月29日 申請日期2008年6月19日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月19日
發(fā)明者劉偉文, 曹越平, 輝 趙, 偉 陶 申請人:上海交通大學(xué)