基于色度互补的植物照射装置、方法及系统与流程

本发明涉及植物照明领域，特别是涉及一种基于色度互补的植物照射装置、方法及系统。

背景技术：

光照是植物生长的必要条件，利用光照的光合作用是植物生长、合成有机物的关键环节，如果能有效提高植物对光的利用率，从而增强有机物的合成，则会对农业发展大有助益。植物补光灯是依照植物生长的自然规律，根据植物利用太阳光进行光合作用的原理，使用灯光代替太阳光来提供植物生长发育所需光源的一种灯具。植物补光可以采用有特定光谱能量分布的专用白炽灯和荧光灯，以及近年逐渐成为主流照明工具的led灯。

以一定的红蓝光配比组成的led光源照射植物，能够提高植物的产量和质量，但是，由于植物的多样性和植物生长阶段的不同，植物所需要的最佳光配方有所不同。现有技术中公开号为cn107690211a的中国专利披露了一种植物生长灯配色方法及系统，该方法通过预设的调光信号提供植物生长灯驱动信号，使植物生长灯按照不同的红蓝光谱强度比例发出光源，采集对应于不同植物生长灯的植物的生长状态数据，并将数据与植物生长灯编号发送至智能终端，智能终端收集到数据和编号后进行计算，得到最佳生长状态下植物生长灯的红蓝光谱强度比例，最后统一将植物生长灯的红蓝光谱强度比例设定为最佳值。该方法计算过程复杂，且只调节植物生长灯的红蓝光谱强度比例，可能对于绿色植物补光作用比较明显，而对于非绿色植物或多色植物的生长作用不大。

技术实现要素：

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种基于色度互补的植物照射装置、方法及系统。

为了实现本发明的上述目的，根据本发明的第一个方面，本发明提供了一种基于色度互补的植物照射装置，它包括至少一个视频摄像头、至少一个投影单元和补色处理单元；

所述视频摄像头对植物的一部分，整株植物或多株植物进行周期性的或实时的拍摄并输出原始彩色图像；

所述补色处理单元获取原始彩色图像，基于色度补色原理求取原始彩色图像的补色图像；

所述投影单元获取补色图像并将补色图像投影在植物上，所述投影单元的投影区域图像与视频摄像头的拍摄区域图像重叠。

上述技术方案的有益效果为：不同植物、植物不同的部分具有不同的颜色，其吸收的光谱和反射的光谱并不相同，表现在吸收不同颜色的光，反射不同颜色的光，视频摄像头接收植物反射的光线并形成图像，通过色度互补原理可以求取到与该图像的补色图像，补色图像反映了不同植物以及植物的不同部分吸收的光谱，通过投影单元将该补色图像投影在与视频摄像头的拍摄图像区域重叠的区域，实现对不同植物以及植物不同部分按对应的吸收光谱补光照射，有利于增强有机物的合成，促进植物生长。该装置能够同时对不同颜色植物、不同种类植物以及植物中不同颜色部位按其吸收光谱进行补光照射，结构简单。

在本发明的一种优选实施方式中，所述视频摄像头的入射光轴与投影单元的出射光轴平行或相交，相交的夹角小于θ°，所述0＜θ＜180。

上述技术方案的有益效果为：视频摄像头的入射光轴与投影单元的出射光轴平行有利于实现投影单元的投影区域图像与视频摄像头的拍摄区域图像完全重叠。视频摄像头的入射光轴与投影单元的出射光轴相交有利于安装实施。

在本发明的一种优选实施方式中，所述视频摄像头和投影单元位于植物的上方，视频摄像头垂直向下拍摄植物，投影单元垂直向下向植物投影。

上述技术方案的有益效果为：垂直向下照射能够照射到尽可能多的植物叶面、花朵和果实，提高促进植物生长的效率。

在本发明的一种优选实施方式中，还包括位于植物上方的补光灯。

上述技术方案的有益效果为：在光线不足或黑夜时对图形传感器的拍摄补光。

在本发明的一种优选实施方式中，所述视频摄像头为两个或两个以上，所述补色处理单元获取两个或两个以上原始图像并拼接获得拼接图像，基于色度互补原理求取拼接图像的补色图像。

上述技术方案的有益效果为：提供了一种视频摄像头的拍摄范围较小、或者视频摄像头的图片聚焦范围较小、或者投影仪的图像投影范围大于视频摄像头的拍摄图像范围时的解决方案。

在本发明的一种优选实施方式中，所述投影单元为两个或两个以上，两个或两个以上投影单元的投影区域互补为视频摄像头的拍摄区域，所述补色处理单元按照投影区域互补方式将补色图像分割为两个或两个以上补色子图像，每个投影单元获取一个补色子图像并投影在植物上。

上述技术方案的有益效果为：提供了一种视频摄像头的图像拍摄范围大于投影仪的图像投影范围时的解决方案。

在本发明的一种优选实施方式中，还包括至少一个红外灯和/或至少一个紫外灯。

上述技术方案的有益效果为：红外灯可以作为植物生长信号灯，调节植物避荫、开花等生理活动。紫外光可促进植物形成色素，影响植物对磷和铝等元素的吸收和维生素d的形成，干物质的积累以及角质层的形成。

为了实现本发明的上述目的，根据本发明的第二个方面，本发明提供了一种基于本发明所述的植物照射装置进行植物照射的方法，包括：

步骤s1，对植物的一部分，整株植物或多株植物进行拍摄并输出获得原始彩色图像；

步骤s2，基于色度互补原理获得原始彩色图像的补色图像；

步骤s3，将补色图像投影在植物上，补色图像的投影区域图像与视频摄像头的拍摄区域图像重叠。

上述技术方案的有益效果为：具有本发明所述的植物照射装置的有益效果。

为了实现本发明的上述目的，根据本发明的第三个方面，本发明提供了一种植物种植系统，包括植物种植区域以及在所述植物种植区域内设置有至少一个本发明所述的植物照射装置。

上述技术方案的有益效果为：在植物种植区域内设置本发明所述的植物照射装置，除具有本发明所述的植物照射装置的有益效果之外，还具有能促进植物生长、提高种植效率的有益效果。

在本发明的一种优选实施方式中，将植物种植区域划分为多个子区域；

一个子区域内设置有一个本发明所述的植物照射装置，植物照射装置中视频摄像头的拍摄区域和/或投影单元的投影区域至少覆盖所述子区域。

上述技术方案的有益效果为：对种植区域优化布置植物照射装置，在满足植物种植区域内植物照射的要求外，对成本进行了有效控制。

附图说明

图1是本发明一具体实施方式中植物照射装置的第一种布局示意图；

图2是本发明一具体实施方式中植物照射装置的第二种布局示意图；

图3是本发明一具体实施方式中植物照射装置的硬件框图；

图4是本发明一具体实施方式中植物种植系统中植物种植区域划分示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

本发明公开了一种基于色度互补的植物照射装置，其布局示意图如图1和图2所示，硬件框图如图3所示。该植物照射装置包括至少一个视频摄像头1、至少一个投影单元2和补色处理单元3；

视频摄像头1对植物4的一部分，整株植物4或多株植物4进行周期性的或实时的拍摄并输出原始彩色图像；

补色处理单元3获取原始彩色图像，基于色度补色原理求取原始彩色图像的补色图像；

投影单元2获取补色图像并将补色图像投影在植物4上，投影单元2的投影区域图像与视频摄像头1的拍摄区域图像重叠。

在本实施方式中，视频摄像头1的输出端与补色处理单元3的输入端连接，补色处理单元3的输出端与投影单元2的输入端连接。具体的，视频摄像头1与补色处理单元3可通过rj-45、bnc、mipi、dvp或usb等端口连接，补色处理单元3与投影单元2可通过bnc、rs232c串口或usb等端口连接。

在本实施方式中，视频摄像头1输出的原始图像为彩色的，其可周期性地或实时地采集植物图像，这样能够不断更新原始彩色图像，这样获得补色图像能够及时更新，以跟随植物的生长过程。视频摄像头1优选但不限于为cmos型，广视角的摄像头，如可选用欧瑞博小欧智能摄像机sc10b，或者海康威视ds-2dc6420iw-a等监控摄像头；优选的，视频摄像头1选择带有夜晚拍摄彩色图片功能的白光彩色夜视摄像机，这样使得植物照射装置在晚上也可以工作。投影单元2优选但不限于为激光投影仪，其具有较高的亮度，如可选择索尼vpl-p500hz的激光投影仪。补色处理单元3优选但不限于为个人电脑或嵌入式处理器(如arm、单片机或fpga等)。

在本实施方式中，补色处理单元3基于色度补色原理求取补色图像为现有技术，可参考cie(commissioninternationaledel'eclairage)配色原理将原始彩色图像中各区域的颜色配色为与其原来颜色光互补为白光的颜色，如基于cie1931标准色度系统进行配色，具体配色方法为本领域常规技术手段，在此不再赘述。

在本实施方式中，投影单元2的投影区域图像与视频摄像头1的拍摄区域图像重叠，使得在投影单元2的投影图像中植物图像与投影图像区域中植物在投影方向的轮廓区域重叠。在一种应用场景中，投影单元2的投影图像区域与视频摄像头1的拍摄图像区域完全重叠，这样便于调整投影单元2和视频摄像头1的位置。在另一种应用场景中，投影单元2的投影图像区域为视频摄像头1的拍摄图像区域的一部分，视频摄像头1的拍摄图像区域大于投影单元2的投影图像区域，视频摄像头1的拍摄图像区域中可全部为植物(此时，可由几个投影单元2共同完成拍摄图像区域的投影)，也可为植物与环境的图像，投影单元2只投影在植物区域。

在本实施方式中，在实际应用中，需要对投影单元2的焦距和/或投影单元2与植物的距离进行调节，使得投影图像中植物图像大小与植物在投影方向的轮廓大小相同或基本相同，以便有效地增强植物的光合作用。

在一种优选实施方式中，视频摄像头1的入射光轴与投影单元2的出射光轴平行或相交，相交的夹角小于θ°，0＜θ＜180。

在本实施方式中，如图1所示，视频摄像头1的入射光轴与投影单元2的出射光轴平行，优选的，此时视频摄像头1与投影单元2靠近设置。视频摄像头1的入射光轴与投影单元2的出射光轴相交时，如图2所示，为保证投影单元2的投影图像中植物图像与投影图像区域中植物在投影方向的轮廓区域尽可能多的重叠，优选的，θ在0到90以内。

在一种优选实施方式中，视频摄像头1可围绕植物旋转拍摄，在植物上空的半球体空间中设置至少一个拍摄区域图像不重叠的拍摄点，在一个拍摄点处停留一段时间(如为n小时，n为正整数)后再进入下一个拍摄点，逐个完成所有拍摄点的拍摄，投影单元2跟随视频摄像头1运动，这样本发明的植物照射装置能够实现植物的多角度照射，实现多角度均匀生长，或者可按照需要培育侧枝或植株的某一个部位。

在一种优选实施方式中，视频摄像头1和投影单元2位于植物4的上方，视频摄像头1垂直向下拍摄植物4，投影单元2垂直向下向植物4投影。

在一种优选实施方式中，还包括位于植物4上方的补光灯。

在本实施方式中，补光灯可为led灯、日光灯和白炽灯等，优选的，补光灯发出的光为白光，其包含有所有色度的光，通过视频摄像头1接收的植物反射光的形成的图像能够准确反映出植物吸收的光谱，也就是补色图像投影出的光线能最大程度的被植物吸收。

在一种优选实施方式中，该植物照射装置还包括至少一个红外灯。红外灯可以作为植物生长信号灯，调节植物避荫、开花等生理活动。可选择led红外灯，其由红外发光二极管矩阵组成。

在一种优选实施方式中，该植物照射装置还包括至少一个紫外灯。紫外光可促进植物形成色素，影响植物对磷和铝等元素的吸收和维生素d的形成，干物质的积累以及角质层的形成。紫外灯优选但不限于选择朗普光电科技有限公司的紫外线灯管。

植物生长分为以下几个阶段：

(1)春化阶段，这个阶段植物处于萌芽期，温度和湿度起到主要作用，照明影响很小。

(2)光照阶段，叶绿素通过光合作用把水和二氧化碳转化成有机物质，而绿光会抑制叶绿体的活动，使光合作用下降。

(3)光谱阶段，光谱成分对植物的发育成长起主要作用。具体的：

紫色光及紫外线对植物的影响为：促进植物形成色素的主要光能，并直接影响植物对磷和铝等元素的吸收和维生素d的形成，干物质的积累以及角质层的形成；

蓝色光对植物的影响：可以活动叶绿体的活动，促进光合作用；

绿色光及黄色光对植物的影响：抑制叶绿体的活动，使光合作用下降；

橙红色光对植物的影响：增大增强植物的光合作用，有利于促进植物生长；

远红外光对植物的影响：主要作为植物生长信号灯，调节植物避荫、开花等生理活动。

(4)照度阶段，光照强度为影响植物生长的关键性因素，光线中的光谱含量对植物生长作用降低。

同时，植物对不同光谱的吸收也不同，吸收最多的是橙红色光，其次是波长300-500nm的蓝紫色光及紫外线，而对波长500-600nm绿黄色光吸收较少。

由上可知，绿光、绿黄光不但被绿色植物的枝叶吸收较少，而且还会抑制叶绿体的活动，使光合作用下降。因此，绿色枝叶反射的光线主要为绿光、黄绿光，本植物照射装置通过投影原始彩色图像的补色图像至植物上，达到黄绿光、绿光不照射或较少地照射在绿色枝叶上。

在一种应用场景中，本植物照射装置主要在植物的光照阶段、光谱阶段和照度阶段工作。

在光照阶段，在植物发芽并长出最初的几片绿叶之后，这个阶段就开始了，这个阶段，植物照射装置开启红外灯、紫外灯，并通过投影仪投影补色图像至植株上。加快植株的枝叶生长。

在光谱阶段，植物照射装置开启红外灯、紫外灯，并通过投影仪投影补色图像至植株上。加强植株的光合作用，促进枝叶生长。

在照度阶段，植物照射装置开启红外灯、紫外灯，补色处理单元3在获得视频摄像头输出的原始彩色图像后，基于色度进行补色处理并获得补色图像，并通过投影单元2将补色图像投影在植物上，枝叶、花朵和果实获得与本身颜色互补为白光的补色光，能够加快枝叶生长、缩短花期加快结果、以及加快果实成熟，极大地缩短了植物生长周期。

在本发明的植物照射装置应用于西红柿种植的场景中，西红柿果实在初期为绿色的，随着绿色果实体积增大到一定程度后，果实渐变为橙色，最终渐变为红色。使用本发明的植物照射装置，会准确的投射与果实颜色光互补的颜色光至果实上，且该互补颜色光的投影面积会跟随果实大小的变化而变化，使果实在投影方向的轮廓面全部被互补颜色光照射。具体的，在果实初期，投射红光在果实上，果实迅速长大，在果实颜色变为橙色时，投射蓝绿光在果实上，使得果实快速经过橙色期变为红色，当果实颜色变为红色时，投射绿光在果实上，使其快速成熟。

在一种优选实施方式中，视频摄像头1为两个或两个以上，补色处理单元3获取两个或两个以上原始图像并拼接获得拼接图像，基于色度互补原理求取拼接图像的补色图像。

在本实施方式中，视频摄像头1的拍摄图像区域小于投影单元2的投影图像区域。补色处理单元3获取两个或两个以上原始图像并拼接获得拼接图像，拼接图像的获取方法为现有技术，如可参考公开号为cn104184950b或cn108734651a中的中国专利披露的技术方案，在此不再赘述。

在一种优选实施方式中，投影单元2为两个或两个以上，两个或两个以上投影单元2的投影区域互补为视频摄像头1的拍摄区域，补色处理单元3按照投影区域互补方式将补色图像分割为两个或两个以上补色子图像，每个投影单元2获取一个补色子图像并投影在植物4上。

在本实施方式中，将补色图像分割为两个或两个以上补色子图像，可在补色图像上按照均等或不均等进行区域划分以实现分割。

本发明还公开了一种植物照射的方法，包括：

步骤s1，对植物4的一部分，整株植物4或多株植物4进行拍摄并输出获得原始彩色图像；

步骤s2，基于色度互补原理获得原始彩色图像的补色图像；

步骤s3，将补色图像投影在植物4上，补色图像的投影区域图像与视频摄像头的拍摄区域图像重叠。

本发明还公开了一种植物种植系统，包括植物4种植区域以及在植物4种植区域内设置有至少一个本发明的植物照射装置。

在一种优选实施方式中，将植物4种植区域划分为多个子区域5，如图4所示；

一个子区域5内设置有一个本发明的植物照射装置，植物4照射装置中视频摄像头1的拍摄区域和/或投影单元2的投影区域至少覆盖该子区域5。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。