专利名称：一种雾滴谱的测量装置及其图像处理方法
技术领域：
本发明涉及精确农业的植保机械施药技术领域，特别是关于一种雾滴谱的测量装置。本发明还涉及用于雾滴谱的测量装置的图像处理方法。
背景技术：
在精准施药中，雾滴粒径是影响雾滴沉积和飘失的重要因素，同时雾滴的沉积均匀性和沉积密度是判定喷雾质量的重要指标。采用适当的方法测量雾滴尺寸，对于喷施的雾滴尺寸分布情况可以建立定量的了解。目前，主要有氧化镁板测量法、油皿法、诺伦伯激光粒径分析法、激光粒径分析仪方法测量雾滴尺寸。这些设备和方法虽然可以测量雾滴尺寸，但有的操作步骤烦琐复杂，有的耗资较大并需要专门的实验室，很难具有通用性。
在田间作业时，雾滴从喷头到靶标的过程中，受到大气、温度、湿度以及作物冠层微气候等自然因素的影响，附着到靶标上的雾滴形态也发生了变化。因此研究一种能够快速实时的获得靶标雾滴信息，且成本低操作简单的仪器显得尤为重要。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于避免上述现有技术中的不足，而提出一种成本低、操作简单、采集信息量大的一种雾滴谱的测量装置。本发明还提供一种用于雾滴谱的测量装置的图像处理方法。
本发明所提供的技术方案是它包括有靶标、暗箱、照明灯、摄像头、图像采集卡、信息输出存储设备、计算机，其中，照明灯、摄像头、靶标置于暗箱内，计算机通过图像采集卡与摄像头连接，信息输出存储设备与计算机连接。
所述摄像头采用彩色数字摄像机。
所述照明灯为荧光灯。
为了实现雾滴谱的测量，本发明还包括以下步骤1、将所采集的图片经24位图向8位图的转化，用于将彩色图像转化为灰度图像；2、进行滤波；即抑制雾滴图像中各种噪声，锐化雾滴图像边缘信息，改善图像质量；3、将灰度图像转化为黑白图像；4、进行雾滴参数统计，如果出现雾滴粘连的图像，则进行黑白图像转化为灰度图像的运算，然后将雾滴粘连的区域分割成与雾滴对应的多个连通的区域，用于雾滴参数统计；5、显示雾滴数据信息；数据图片输出保存。
所述雾滴参数统计还包括雾滴个数、雾滴面积、雾滴体积中径、雾滴数量中径的统计，其中，雾滴个数计数采用的是数连通区域的办法进行统计；雾滴面积采用数连通区域内的像素点的个数进行统计；雾滴体积中径是将雾滴按大小排序，由小到大进行体积累积，累积体积达到总雾滴体积50％处所对应的雾滴直径。雾滴数量中径是将雾滴按大小排序进行数量累积，累积数量达到总数量50％处相对应的雾滴直径。
本发明有如下优点1)由于操作步骤简单，成本低，节省了人力物力。因此，具有更好的实用性和通用性；2)本发明可以得到雾滴个数，雾滴覆盖面积、雾滴数量中径、雾滴体积中径以及雾滴谱曲线等信息数据，从而提高了工作效率，同时为精准施药提供了精确数据支持；3)将图像处理技术运用到雾滴测量中，实现了图片采集和图像处理的分开操作，便于靶标图片的大量实时采集。
图1为本发明的结构示意图；图2为本发明图像处理软件主要菜单组成图；图3为本发明图像处理软件处理流程图；图4为本发明图像处理软件的图像分割菜单图；图5为本发明图像处理软件的图像增强菜单图；图6为本发明雾滴统计显示图；图7为雾滴参数统计菜单图。
图中1暗箱，2照明灯，3摄像头，4图像采集卡，5信息输出存储设备，6计算机及其软件，7靶标。
具体实施例方式
下面结合
本发明的具体实施方式
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本发明主要由两部分组成，一部分为图片采集部分，即雾滴谱的测量装置；另一部分为图像处理方法部分。
(一)雾滴谱的测量装置如图1所示，雾滴谱的测量装置由靶标7、暗箱1、荧光灯2、摄像头3、图像采集卡4、信息输出存储设备5、计算机组6，其工作路径是暗箱1内靶标7上的雾滴，在荧光灯2的照明下，通过摄像头3拍摄雾滴图像，再通过图像采集卡4将拍下的雾滴图像采集到计算机6中，进行图像处理，从而得出精确的雾滴数据信息。具体实施时，其特征部件如下1、本装置中摄像头3使用的是Panasonic WV-CP474彩色数字摄像机，它通过使用具有768个水平像素的1/3英寸行间传递CCD图像传感器和数字信号处理大规模集成电路，使其产生的图像达到高质量和高分辨率。
具体功能和参数如下●自动亮度控制(ALC)/电子亮度控制(ELC)；●SUPER-DII功能可以消除例如亮点等使摄像机图像变暗的强背景光干扰，动态范围为48dB；●各种外部同步功能，包括总锁定功能；●自动/手动白平衡功能；●电子快门功能；●内置数字移动检测；●信噪比50dB水平分辨率为480线，通过2H型垂直扩展获得更高的图像清晰度；●镜头腾龙公司13VG2812AS型镜头。CS接口；DC驱动光圈；视角Wide97.4°×72.5°/Tele24.1°×18.0°。
2、本装置采用嘉恒中自图像技术有限公司的OK-C30A图像采集卡4。通过高速PCI总线可实现直接采集图像到VGA显存或主机系统内存，这不仅使图像直接采集到VGA实现单屏工作方式，而且可以利用PC机内存的可扩展性，实现所需数量的序列图像逐帧、连续采集，进行序列图像处理分析。OK系列的图像采集卡4随带的软件中除了驱动程序外，还有相应的软件开发包，提供了非常丰富的库函数功能，大大方便了应用软件的开发。
具体功能和参数如下●视频输入为标准PAL、NTSC或SECAM制信号；●可采集彩色和黑白图像；●高精度10位视频A/D，有梳状滤波器，抗混叠滤波器；●六路复合视频输入选择或二路Y/C(5+6和3+4)输入选择；
●亮度、对比度、色度、饱和度软件可调；●图像采集显示分辨率最大768×576；●具有硬件点屏蔽位功能；●硬件完成输入图像比例缩放；●具有硬件镜像反转功能；●外触发信号输入(TTL低电平)；●支持RGB32、RGB24、RGB16、RGB15、YUV422、黑白图像GRAY8等图像格式；●可采集单场、单帧、间隔几帧和连续相邻帧的图像，精确到场。
3、计算机6CPU主频为2.801GHz，80G硬盘，1G内存，128M显存，一般情况下处 理 器233MHZ或者更高主频的处理器，建议采用P II系列以上的处理器；内存不少于128M，建议256M或更大容量内存；硬盘空间不少于100M剩余硬盘空间用来安装和使用雾滴谱测量系统软件，建议使用更多的硬盘空间；视频显示SuperVGA(800×600)或者更高分辨率的视频适配器和监视器其它外设标准键盘，鼠标，光驱；4、暗箱1是自制暗箱，要求避光性好。
参见图1，将靶标7放置于暗箱1内，且正对摄像机3的镜头，打开荧光灯2的照射，调节暗箱1水平、垂直、高低旋转按钮，使得靶标落在摄像头视野内的最佳位置，图像采集卡4设置图片采集为单祯采集，手动操作，编号后保存在计算机6所设定的目录文件夹内。可以通过设定图像采集卡4采集的频率来设定采集图片的份数。保存好的图片在图像处理软件中打开进行相应的处理。
(二)图像处理方法如图3所示，图像处理方法的步骤包括将所采集的图片经24位图向8位图的转化，即将彩色图像转化为灰度图像；中值滤波，即以选取图像区域范围内的灰度值做排序，取中间值替代范围中心值的处理方法；二值化，即将灰度图像转化为黑白图像；如果没有雾滴粘连，直接进入雾滴参数统计；如果出现雾滴粘连，则进行距离变换，分水岭统计，即进行黑白图像转化为灰度图像的运算，然后将雾滴粘连的区域分割成两个连通的区域，用于雾滴参数统计；显示雾滴数据信息；数据图片输出保存。
所述雾滴谱统计的内容包括雾滴计数采用的是数连通区域的办法进行统计。二值化图像以后，雾滴标志为255(白色)，背景色标志为0(黑色)，一个雾滴就是一个连通区域。所以数出连通区域就是数出了雾滴的个数。
雾滴面积采用数像素点的个数统计，即一个连通区域内(一个雾滴内)有多少像素点，然后在同样的采集到图像的条件下，采集一个标准面积的正方形，正方形的面积除以正方形所占的像素点，即可知道一个像素代表的面积，所以雾滴的面积就可计算出来了。
雾滴数量中径表示用雾滴按尺寸排序后雾滴数量50％处的雾滴尺寸，在累积数量曲线上50％处相对应的雾滴直径便是数量中径。
体积中径表示喷出的雾滴分成总体积相等的两部分，其中一部分所含雾滴中径均小于体积中径，另一部分所含的雾滴直径均大于体积中径。在累积体积曲线上50％处相对应的直径便是体积中径。
以上方法的工作流程是[第1步]打开BMP图像[第2步]将图像转换成8位灰度BMP图像 在图像增强菜单中选择合适的滤波方法进行滤波[第4步]在图像分割菜单中选择合适的子菜单进行二值化处理[第5步]进行雾滴参数统计如遇到雾滴图像粘带，则在统计之前需进行距离变换，用分水岭统计方法进行雾滴参数的统计[第6步]显示雾滴数据信息，进行数据保存。
如图2所示，下面结合本方法的主要菜单对步骤和操作过程作进一步的详细解释。
窗口界面各菜单如下所示1、编辑菜单(E)包括撤消、剪切、复制、粘贴。
2、查看菜单(V)包括工具栏、状态栏、显示直方图。
3、24位转8位灰度图菜单该菜单功能是将彩色图像转换成灰度图像。
4、图像增强菜单见图5，其中，[灰度反转]是将原图灰度值反转，简单来说就是使黑变为白，使白变为黑；[直方图均衡化]是把原始图的直方图变换为均匀分布的形式，增加像素灰度值的动态范围从而达到增强图像整体对比度的效果[灰度切分]是将某个灰度值范围变得比较突出[局部平均平滑]用像素领域内的像素的平均灰度代替该像素原来的灰度值，实现图像的平滑[灰度变换]是用来增强原图个部分的反差。实际中往往是通过增加原图里某两个灰度值间的动态范围来实现的[中值滤波]是一种典型的非线性滤波器，中值滤波处理时把局部区域中灰度的中值作为输出灰度。
是对于一幅图像来说，如果它的边缘，跳跃部分以及噪声都代表图像的高频分量，而大面积的背景区和慢变部分则代表图像的低频分量，通过此滤波方式起到平滑图像的作用[自适应平滑滤波]是利用小的平均加权模板与图像进行迭代卷积，该模板的权系数是由对应点的连续性，即作为像素点梯度的函数来决定[伪彩色增强]是一种常用的彩色增强方法，是对原来灰度图像中不同灰度值的区域赋予不同的颜色以更明显的区分它们。
5、图像变换菜单是快速傅立叶变换。
6、图像分割菜单见图4，包括固定阈值分割、大津法分割、最佳阈值分割、sobel算子、Laplace算子、Previtt算子、Robert算子、LoG算子、轮廓提取。
7、雾滴参数统计菜单见图7，包括雾滴计数(趋于法)、雾滴谱、距离变换(倒角)、腐蚀分割、分水岭分割、手动剔除、雾滴计数(直径法)。其中[距离变换]是一种将二值图像转化为灰度的运算。实际运用中的距离变换实现算法是从邻近像素点入手，每次只计算其与局部相邻的几个像素点距离的最小值，根据全局距离是局部距离按叠加而成的原理，对图像进行前后两次扫描，最终得到近似的距离图像。基于上述原理，采用倒角算法(Chamfer)进行距离变换，简单快速，其计算出来的距离合理逼近于真实的欧式距离。只需要对二值图像进行两次扫描就可以得到距离变换的灰度图像。
是更有效地将粘连的区域被分割成两个连通的区域，这样，雾滴粘连以后就可以被正确的分割开来。
归纳起来，就是将24位彩色图片转化成8位灰度图片，自动编号保存在指定目录下。打开保存的8位灰度图片，进行图像分割，下拉菜单见图4。图像分割处理后，进行图像增强见图5。根据需要做相应的图像变换后(如距离变换)，得到一幅二值化图片，然后进行雾滴各种参数的统计与显示，见图6。最后将显示的数据进行导出存储，便于多样本数据整理。
权利要求
1.一种雾滴谱的测量装置，包括有靶标，其特征在于还设有暗箱(1)、照明灯(2)、摄像头(3)、图像采集卡(4)、信息输出存储设备(5)、计算机(6)，其中，照明灯(2)、摄像头(3)、靶标(7)置于暗箱(1)内，计算机(6)通过图像采集卡(4)与摄像头(3)连接，信息输出存储设备(5)与计算机(6)连接。
2.根据权利要求1所述的一种雾滴谱的测量装置，其特征在于所述摄像头(3)采用彩色数字摄像机。
3.根据权利要求1所述的一种雾滴谱的测量装置，其特征在于所述照明灯(3)为荧光灯。
4.用于权利要求1所述的一种雾滴谱的测量装置的图像处理方法，其特征在于，包括以下步骤1)将所采集的图片经24位图向8位图的转化，用于将彩色图像转化为灰度图像；2)进行滤波；即抑制雾滴图像中各种噪声，锐化雾滴图像边缘信息，改善图像质量；3)将灰度图像转化为黑白图像；4)进行雾滴参数统计，如果出现雾滴粘连的图像，则进行黑白图像转化为灰度图像的运算，然后将雾滴粘连的区域分割成与雾滴对应的多个连通的区域，用于雾滴参数统计；5)显示雾滴数据信息；数据图片输出保存。
5.根据权利要求4所述的一种雾滴谱的测量装置的图像处理方法，其特征在于所述雾滴参数统计还包括雾滴个数、雾滴面积、雾滴体积中径、雾滴数量中径的统计。
6.根据权利要求5所述的一种雾滴谱的测量装置的图像处理方法，其特征在于所述雾滴个数计数采用的是数连通区域的办法进行统计。
7.根据权利要求5所述的一种雾滴谱的测量装置的图像处理方法，其特征在于所述雾滴面积采用数连通区域内像素点的个数进行统计。
8.根据权利要求5所述的一种雾滴谱的测量装置的图像处理方法，其特征在于所述雾滴体积中径是将雾滴按大小排序，由小到大进行体积累积，累积体积达到总雾滴体积50％处所对应的雾滴直径。
9.根据权利要求5所述的一种雾滴谱的测量装置的图像处理方法，其特征在于所述雾滴数量中径是将雾滴按大小排序进行数量累积，累积数量达到总数量50％处相对应的雾滴直径。
全文摘要
本发明公开了一种雾滴谱的测量装置及其图像处理方法，它涉及精确农业的植保机械施药技术领域，包括有靶标、暗箱、照明灯、摄像头、图像采集卡、信息输出存储设备、计算机，其中，照明灯、摄像头、靶标置于暗箱内，计算机通过图像采集卡与摄像头连接，信息输出存储设备与计算机连接。其方法是；将所采集的图片经24位图向8位图的转化；进行滤波；将灰度图像转化为黑白图像；进行雾滴参数统计，如果出现雾滴粘连的图像，则进行黑白图像转化为灰度图像的运算，然后将雾滴粘连的区域分割成与雾滴对应的多个连通的区域，用于雾滴参数统计；显示雾滴个数、雾滴面积、雾滴体积中径、雾滴数量中径；数据图片输出保存。
文档编号G01N21/84GK1916598SQ20051008623
公开日2007年2月21日 申请日期2005年8月15日 优先权日2005年8月15日
发明者何雄奎, 曾爱军, 薛峰 申请人:中国农业大学