专利名称：一种植物生长的非接触式无损检测装置及其检测方法
技术领域：
本发明涉及一种用于获取植物生长过程中生长信息的检测装置及方法，特别是涉
及一种基于机器视觉及图像处理技术的快速、非接触式获取植物生长形态信息变化的无损 检测装置及其检测方法，属于农业设施技术领域。
背景技术：
植物的生长是一种十分复杂的不可逆的体积增加的动态过程，不仅受遗传基因的 控制，光、温度、水分等各种环境和随机因素对植物的生长也会产生显著的影响。在不同的 条件下，不同的生长发育阶段连续获得植物生长的外观特征参数，研究植物的生长规律，实 现模拟及可视化，是研究植物生长、构建生长模型的一个重要过程。为了连续获取植物生 长特征参数，构建植物生长模型，研究植物生长规律，其关键技术之一就是检测植物生长参 数。虽然目前已有研究涉及到对群体的研究，但是检测精度不高，而实际中植物的形态差异 很大，且生长背景复杂，这就给图像的处理及特征提取带来很大的困难，因而需要高效、高 精度的图像处理方法。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种可在长时间内以一定的 时间间隔对多株植物个体进行连续检测，并可自动采集图像，采集图像的同时对图像中植 物的生长特征参数进行分析的植物生长的非接触式无损检测装置。 本发明的另一目的在于提供实现上述植物生长的非接触式无损检测装置的检测 方法。 本发明的目的通过下述技术方案实现一种植物生长的非接触式无损检测装置， 包括控制电脑、载物旋转云台装置和图像采集装置，所述控制电脑内设有载物旋转云台控 制系统、采集控制系统和生长检测分析系统，所述载物旋转云台控制系统、采集控制系统和 生长检测分析系统依次连接；所述载物旋转云台装置与载物旋转云台控制系统连接，所述 采集控制系统和生长检测分析系统分别与所述图像采集装置连接。 所述图像采集装置包括近红外光源、CCD摄像机、近红外滤片和光源控制器，所述 近红外光源固定在CCD摄像机上方，近红外滤片安装在CCD摄像机的镜头前部，所述近红 外光源与光源控制器连接，所述CCD摄像机固定于所述载物旋转云台装置上；所述光源控 制器、CCD摄像机均分别与采集控制系统连接，所述CCD摄像机与所述生长检测分析系统连 接。近红外光源优选近红外发光二极管光源。 所述载物旋转云台装置包括载物旋转云台和云台控制器，所述载物旋转云台和云 台控制器连接，所述云台控制器与载物旋转云台控制系统连接；所述CCD摄像机固定于所 述载物旋转云台上。 所述生长检测分析系统包括图像输入模块、图像处理模块、生长检测分析模块和 存储输出模块，所述图像输入模块、图像处理模块、生长检测分析模块和存储输出模块依次连接，所述图像输入模块分别与图像采集装置和采集控制系统连接。 所述图像处理模块包括图像识别模块和生长特征提取模块，所述图像识别模块和 生长特征提取模块连接；所述图像识别模块与图像输入模块连接，所述生长特征提取模块 与生长检测分析模块连接。 所述生长检测分析模块包括图像标定模块、生长量测量模块和数据输出模块，所 述生长特征提取模块分别与生长量测量模块、图像标定模块连接；所述生长量测量模块与 数据输出模块连接，所述数据输出模块与存储输出模块连接。 所述采集控制系统包括位置检测模块、摄像机位置调整模块、光源旋转模块、光源 开启模块、光源关闭模块和时间检测模块，所述位置检测模块、摄像机位置调整模块、光源 旋转模块、光源开启模块、光源关闭模块和时间检测模块均分别与图像采集装置连接；所述 位置检测模块均分别与摄像机位置调整模块和光源旋转模块连接；所述位置检测模块、光 源开启模块、时间检测模块和光源关闭模块依次连接；所述光源关闭模块与所述生长检测 分析系统连接。 所述载物旋转云台控制系统包括云台位置检测模块和云台旋转模块，所述云台位 置检测模块和云台旋转模块连接；所述云台位置检测模块分别与采集控制系统连接，所述 云台位置检测模块和云台旋转模块均与载物旋转云台装置连接。 由上述的植物生长的非接触式无损检测装置的检测方法，具体包括以下步骤
(1)初始化设置； (2)载物旋转云台控制系统检测载物旋转云台与被测对象的相对位置，采集控制 系统检测被测对象与近红外光源、CCD摄像机的相对位置；若检测结果不符合要求，则执行 步骤(3)，否则执行步骤(4); (3)云台控制器控制载物旋转云台旋转，并将其旋转到合适角度；光源控制器控 制近红外光源旋转，将近红外光源旋转到合适位置，并通过采集控制系统将CCD摄像机调 节到合适的拍摄位置； (4)图像采集装置采集被测对象的生长特征及生长图像； (5)生长检测分析系统对图像采集装置所采集的图像进行处理、检测分析被测对 象的生长状况，并将检测的结果进行存储及输出； (6)所述载物旋转云台控制系统检测载物旋转云台与下一个被测对象的相对位 置，采集控制系统检测下一个被测对象与近红外光源、CCD摄像机的相对位置；返回执行步 骤(2)。
所述步骤(4)具体包括以下步骤 (4-1)光源开启模块开启光源，CCD摄像机采集图像； (4-2)时间检测模块对采集的时间进行检测，判断是否已达到设定的检测时间； 若是，则执行下一步骤；若不是，则CCD摄像机继续采集图像；
(4-3)光源关闭模块关闭光源，CCD摄像机停止图像采集； 所述步骤(2)中，通过云台位置检测模块检测载物旋转云台与被测对象的相对位 置，检测载物旋转云台的角度是否与被测对象对应；通过位置检测模块检测被测对象与近 红外光源、CCD摄像 的相对位置，检测近红外光源的照射角度是否合适，CCD摄像机的拍 摄距离是否合适；
所述步骤(3)中，通过云台旋转模块对云台控制器进行控制；通过摄像机位置调
整模块和光源旋转模块分别控制CCD摄像机的调节和近红外光源的旋转。 本发明的作用原理首先选择要进行生长信息分析的植物体，开启控制电脑，调整
每一个被观测植物体与载物旋转云台的相对位置位置，并通过采集控制系统自动检查被观
测对象与近红外光源及CCD摄像机的照射位置及拍摄位置，若以没有达到最佳照射位置及
拍摄位置，则继续调整，直到全部调整完毕。用于装载CCD摄像机及近红外光源的载物旋
转云台，在一定时间间隔内定角度旋转，实现对多个被观测对象进行图像采集，在每旋转到
设定位置，近红外光源自动开启，一段时间后采集对应的被观测对象的生长特征点的图像，
然后近红外光源自动关闭，再按设定角度进行旋转到下一个位置，实现连续对多株植物的
生长信息变化以图像信息的方式稳定存储。通过控制电脑来控制实现图像采集的完全自动
化，具有高效、快速、高清晰的采集图像的效果，并在采集图像的同时，对植物生长量的测量
分析，在达到亚像素级精度的同时有效减少了计算量。 本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果 1、本发明的装置可直接对多株植物个体进行植物生长信息测量，可实现高精度、 快速、连续获取植物生长过程中植物生长变化图像，和从所得图像中提取植物生长信息的 分析，可取得在高精度的水平实施对植物的生长特征进行检测的效果，具有测量精度高、检 测结果精确等优点。 2、本发明的装置采用了近红外发光二极管光源及近红外滤片，实现了在白天和夜 晚同样进行测量，获得同样辉度的高清晰图像，提高了测量的精度和速度，避免了外界光源 的干扰，保证获得高精度的测量结果。 3、本发明的装置通过使用载物旋转云台带动CCD摄像机定角度旋转，对多个被测 对象的生长信息进行连续检测，并且在图像采集过程中由于植物一直处于静止放置，避免 由于移动植物而引起的位置相对移动以及植物在移动过程中摇曳而引起的被测点的相对 移动而导致的测量误差，可保证CCD摄像机与被测植物体以及被测植物体特征点的拍摄物 理位置关系在采集期间始终恒定，从而保证了检测的精度。 4、本发明的装置可通过控制电脑自行控制，无需人工检测，具有使用方便、操作简 单等优点。 5、本发明的方法采用基于机器视觉及图像处理的植物生长信息检测和分析方法，
以植物为主的生物为被测对象，对生长过程中的各种生长信息随时间发生的变化能够以图
像信息的方式存储下来，并且能够快速对采集图像的生长信息进行高精度处理分析。 6、本发明通过高精度的图像采集，高精度检测植物生长规律，实现了对植物生长
参数的无损测量和特征参数提取，在不影响植物连续生长的情况下提供客观、恒定、精确的
测量数据及研究信息，为最终实现定量化研究植物生长规律提供合理的依据。
图1是本发明的检测装置的总体结构示意图。
图2是图1所示的检测装置的结构框图。
图3是图2所示载物旋转云台控制系统的结构框图。
图4是图2所示采集控制系统的结构框图。
图5是图2所示生长检测分析系统的结构框图。
图6是图5所示生长检测分析模块的结构框图。
图7是本发明的检测方法的流程示意图。
具体实施例方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。 实施例 图1 7示出了本实施例的具体结构示意图，如图l所示，本植物生长的非接触式无损检测装置，包括控制电脑19、载物旋转云台装置和图像采集装置，所述控制电脑内设有载物旋转云台控制系统、采集控制系统和生长检测分析系统，所述载物旋转云台控制系统、采集控制系统和生长检测分析系统依次连接；所述载物旋转云台装置与载物旋转云台控制系统连接，所述采集控制系统和生长检测分析系统分别与所述图像采集装置连接，如图2所示。 如图1所示，所述图像采集装置包括近红外光源14、CCD摄像机15、近红外滤片16
和光源控制器20，所述近红外光源14固定在CCD摄像机15上方，近红外滤片16安装在CCD
摄像机15的镜头前部，所述近红外光源14与光源控制器20连接，所述CCD摄像机15固定
于所述载物旋转云台装置上；所述光源控制器20、CCD摄像机15均分别与控制电脑19中的
采集控制系统连接，所述CCD摄像机15与控制电脑19中的生长检测分析系统连接。 如图1所示，所述载物旋转云台装置包括载物旋转云台17和云台控制器18，所述
载物旋转云台17和云台控制器18连接，所述云台控制器18与控制电脑19中的载物旋转
云台控制系统连接；所述CCD摄像机15固定于所述载物旋转云台17上。 如图5所示，所述生长检测分析系统包括图像输入模块、图像处理模块、生长检测
分析模块和存储输出模块，所述图像输入模块、图像处理模块、生长检测分析模块和存储输
出模块依次连接，所述图像输入模块分别与图像采集装置和采集控制系统连接。 所述图像处理模块包括图像识别模块和生长特征提取模块，所述图像识别模块和
生长特征提取模块连接；所述图像识别模块与图像输入模块连接，所述生长特征提取模块
与生长检测分析模块连接。 如图6所示，所述生长检测分析模块包括图像标定模块、生长量测量模块和数据
输出模块，所述生长特征提取模块分别与生长量测量模块、图像标定模块连接；所述生长量
测量模块与数据输出模块连接，所述数据输出模块与存储输出模块连接。 如图4所示，所述采集控制系统包括位置检测模块、摄像机位置调整模块、光源旋
转模块、光源开启模块、光源关闭模块和时间检测模块，所述位置检测模块、摄像机位置调 整模块、光源旋转模块、光源开启模块、光源关闭模块和时间检测模块均分别与图像采集装
置连接；所述位置检测模块均分别与摄像机位置调整模块和光源旋转模块连接；所述位置
检测模块、光源开启模块、时间检测模块和光源关闭模块依次连接；所述光源关闭模块与所
述生长检测分析系统连接。 如图3所示，所述载物旋转云台控制系统包括云台位置检测模块和云台旋转模块，所述云台位置检测模块和云台旋转模块连接；所述云台位置检测模块分别与采集控制系统连接，所述云台位置检测模块和云台旋转模块均与载物旋转云台装置连接。 如图7所示，由上述的植物生长的非接触式无损检测装置的检测方法，具体包括
以下步骤 (1)初始化设置； (2)载物旋转云台控制系统检测载物旋转云台与被测对象的相对位置，采集控制系统检测被测对象与近红外光源、CCD摄像机的相对位置；若检测结果不符合要求，则执行步骤(3)，否则执行步骤(4); (3)云台控制器控制载物旋转云台旋转，并将其旋转到合适角度；光源控制器控制近红外光源旋转，将近红外光源旋转到合适位置，并通过采集控制系统将CCD摄像机调节到合适的拍摄位置； (4)图像采集装置采集被测对象的生长特征及生长图像； (5)生长检测分析系统对图像采集装置所采集的图像进行处理、检测分析被测对象的生长状况，并将检测的结果进行存储及输出； (6)所述载物旋转云台控制系统检测载物旋转云台与下一个被测对象的相对位置，采集控制系统检测下一个被测对象与近红外光源、CCD摄像机的相对位置；返回执行步骤(2)。 所述步骤(4)具体包括以下步骤 (4-1)光源开启模块开启光源，CCD摄像机采集图像； (4-2)时间检测模块对采集的时间进行检测，判断是否已达到设定的检测时间；若是，则执行下一步骤；若不是，则CCD摄像机继续采集图像；
(4-3)光源关闭模块关闭光源，CCD摄像机停止图像采集； 所述步骤(2)中，通过云台位置检测模块检测载物旋转云台与被测对象的相对位置，检测载物旋转云台的角度是否与被测对象对应；通过位置检测模块检测被测对象与近红外光源、CCD摄像机的相对位置，检测近红外光源的照射角度是否合适，CCD摄像机的拍摄距离是否合适； 所述步骤(3)中，通过云台旋转模块对云台控制器进行控制；通过摄像机位置调
整模块和光源旋转模块分别控制CCD摄像机的调节和近红外光源的旋转。 上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的
限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，
均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
一种植物生长的非接触式无损检测装置，其特征在于包括控制电脑、载物旋转云台装置和图像采集装置，所述控制电脑内设有载物旋转云台控制系统、采集控制系统和生长检测分析系统，所述载物旋转云台控制系统、采集控制系统和生长检测分析系统依次连接；所述载物旋转云台装置与载物旋转云台控制系统连接，所述采集控制系统和生长检测分析系统分别与所述图像采集装置连接。
2. 根据权利要求1所述的植物生长的非接触式无损检测装置，其特征在于所述图像 采集装置包括近红外光源、CCD摄像机、近红外滤片和光源控制器，所述近红外光源固定在 CCD摄像机上方，近红外滤片安装在CCD摄像机的镜头前部，所述近红外光源与光源控制器 连接，所述CCD摄像机固定于所述载物旋转云台装置上；所述光源控制器、CCD摄像机均分 别与采集控制系统连接，所述CCD摄像机与所述生长检测分析系统连接。
3. 根据权利要求2所述的植物生长的非接触式无损检测装置，其特征在于所述载物 旋转云台装置包括载物旋转云台和云台控制器，所述载物旋转云台和云台控制器连接，所 述云台控制器与载物旋转云台控制系统连接；所述CCD摄像机固定于所述载物旋转云台 上。
4. 根据权利要求1所述的植物生长的非接触式无损检测装置，其特征在于所述生长 检测分析系统包括图像输入模块、图像处理模块、生长检测分析模块和存储输出模块，所述 图像输入模块、图像处理模块、生长检测分析模块和存储输出模块依次连接，所述图像输入 模块分别与图像采集装置和采集控制系统连接。
5. 根据权利要求4所述的植物生长的非接触式无损检测装置，其特征在于所述图像 处理模块包括图像识别模块和生长特征提取模块，所述图像识别模块和生长特征提取模块 连接；所述图像识别模块与图像输入模块连接，所述生长特征提取模块与生长检测分析模 块连接。
6. 根据权利要求5所述的植物生长的非接触式无损检测装置，其特征在于所述生长 检测分析模块包括图像标定模块、生长量测量模块和数据输出模块，所述生长特征提取模 块分别与生长量测量模块、图像标定模块连接；所述生长量测量模块与数据输出模块连接， 所述数据输出模块与存储输出模块连接。
7. 根据权利要求1所述的植物生长的非接触式无损检测装置，其特征在于所述采集 控制系统包括位置检测模块、摄像机位置调整模块、光源旋转模块、光源开启模块、光源关 闭模块和时间检测模块，所述位置检测模块、摄像机位置调整模块、光源旋转模块、光源开 启模块、光源关闭模块和时间检测模块均分别与图像采集装置连接；所述位置检测模块均 分别与摄像机位置调整模块和光源旋转模块连接；所述位置检测模块、光源开启模块、时间 检测模块和光源关闭模块依次连接；所述光源关闭模块与所述生长检测分析系统连接。
8. 根据权利要求7所述的植物生长的非接触式无损检测装置，其特征在于所述载物 旋转云台控制系统包括云台位置检测模块和云台旋转模块，所述云台位置检测模块和云台 旋转模块连接；所述云台位置检测模块分别与采集控制系统连接，所述云台位置检测模块 和云台旋转模块均与载物旋转云台装置连接。
9. 由权利要求1 8任一项所述的植物生长的非接触式无损检测装置的检测方法，其 特征在于，具体包括以下步骤(1)初始化设置；(2) 载物旋转云台控制系统检测载物旋转云台与被测对象的相对位置，采集控制系统 检测被测对象与近红外光源、CCD摄像机的相对位置；若检测结果不符合要求，则执行步骤 (3)，否则执行步骤(4);(3) 云台控制器控制载物旋转云台旋转，并将其旋转到合适角度；光源控制器控制近 红外光源旋转，将近红外光源旋转到合适位置，并通过采集控制系统将CCD摄像机调节到 合适的拍摄位置；(4) 图像采集装置采集被测对象的生长特征及生长图像；(5) 生长检测分析系统对图像采集装置所采集的图像进行处理、检测分析被测对象的 生长状况，并将检测的结果进行存储及输出；(6) 所述载物旋转云台控制系统检测载物旋转云台与下一个被测对象的相对位置， 采集控制系统检测下一个被测对象与近红外光源、CCD摄像机的相对位置；返回执行步骤 (2)。
10.根据权利要求9所述的检测方法，其特征在于所述步骤(4)具体包括以下步骤 (4-1)光源开启模块开启光源，CCD摄像机采集图像；(4-2)时间检测模块对采集的时间进行检测，判断是否已达到设定的检测时间；若是，则执行下一步骤；若不是，则CCD摄像机继续采集图像；(4-3)光源关闭模块关闭光源，CCD摄像机停止图像采集；所述步骤(2)中，通过云台位置检测模块检测载物旋转云台与被测对象的相对位置， 检测载物旋转云台的角度是否与被测对象对应；通过位置检测模块检测被测对象与近红外 光源、CCD摄像机的相对位置，检测近红外光源的照射角度是否合适，CCD摄像机的拍摄距 离是否合适；所述步骤(3)中，通过云台旋转模块对云台控制器进行控制；通过摄像机位置调整模 块和光源旋转模块分别控制CCD摄像机的调节和近红外光源的旋转。
全文摘要
本发明提供了一种植物生长的非接触式无损检测装置，包括控制电脑、载物旋转云台装置和图像采集装置，控制电脑内设有载物旋转云台控制系统、采集控制系统和生长检测分析系统，载物旋转云台控制系统、采集控制系统和生长检测分析系统依次连接；载物旋转云台装置与载物旋转云台控制系统连接，采集控制系统和生长检测分析系统分别与所述图像采集装置连接。本发明还提供了实现上述植物生长的非接触式无损检测装置的检测方法。本发明可在长时间内以一定的时间间隔对多株植物个体进行连续检测，并可自动采集图像，采集图像的同时对图像中植物的生长特征参数进行分析，具有图像采集精度高、检测准确等优点。
文档编号G01B11/00GK101718522SQ20091021422
公开日2010年6月2日 申请日期2009年12月25日 优先权日2009年12月25日
发明者刘凯, 杨艳丽, 辜松, 马稚昱 申请人:华南农业大学