专利名称：基于机器视觉的嫁接苗外部特征测量方法及系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及果蔬嫁接技术领域，具体是一种基于机器视觉的嫁接苗外部特征测量方法及系统，可用于辅助嫁接机嫁接时自动匹配相应苗木直径的砧木苗和接穗苗，提高嫁接速度和嫁接成活率。
背景技术：
我国蔬菜的种植面积较大，但嫁接作业的机械化水平不高，尤其是嫁接作业的机械化装备水平较低，不能满足人民日益增长的物质生活需求。近年来，国内科技人员对嫁接机械做了重点研究，也取得了阶段性成果；但还有许多尚未解决的问题，特别是如何提高果蔬嫁接效率和嫁接成活率，需要人们进一步的予以研究。获取嫁接苗的各项外部特征参数是嫁接机进行自动嫁接的前提条件，对于各项外部特征参数，传统的测量方法都是接触式的逐个测量，效率低且容易损伤幼苗，因此快速的非接触式测量方法成为研究热点，其中以视觉检测的研究尤为突出。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服上述背景技术存在的不足，提供一种基于机器视觉的嫁接苗外部特征测量方法，该测量方法在不接触幼苗的前提下能测量出幼苗的外部特征参数，而且具有测量快速、结果准确的特点；还提供一种基于机器视觉的嫁接苗外部特征测量系统，该测量系统应能准确地测量出幼苗的外部特征参数，而且具有结构简单、自动化程度高、操作方便的特点。本发明采用的技术方案是基于机器视觉的嫁接苗外部特征测量方法，包括以下步骤A.俯视方向采集整盘嫁接苗的图像；B.利用图像处理算法，计算采集到的上述整盘嫁接苗图像中所有嫁接苗的子叶参数信息，包括子叶方向角、子叶长短轴、子叶面积和生长点的参数，并将参数信息传送给控制机；C.正视方向采集一排嫁接苗的图像，利用图像处理算法计算该排嫁接苗中每棵嫁接苗的株高和苗径椭圆的长短轴的参数信息；并将参数信息传送给控制机以方便其完成配对组合，指导机械手有效地抓取相应的苗株进行嫁接；D.正视方向依次采集各排嫁接苗的图像，重复步骤C直至所有嫁接苗测量完毕。所述俯视算法包括以下步骤⑴图像获取一⑵高斯滤波一⑶Otsu 二值化一⑷形态学滤波一(5)区域化+过滤较小区域一(6)轮廓提取一(7)拐点提取一(8)拐点配对一(9)弧段配对一(10)拟合椭圆一(11)验证椭圆一(12)重新组合错误配对弧段，重复步骤(IQ)拟合椭圆一(13)重复步骤(11)、(12)直到没有剩余的轮廓段一(M)子叶组合一(15)椭圆长轴提取一(16)计算子叶方向角β —(17)生长点提取一側传递数据至控制机。所述正视算法包括以下步骤⑴图像获取一⑵高斯滤波一⑶Otsu 二值化一⑷形态学滤波一(5)区域化+过滤较小区域一(6)轮廓提取一(7)相机标定一(8)获取像素株高一(9)转化为真实株高一(10)得到抓取点位置一(11)获取像素正视直径一(12)转化为真实正视直径一(13)导入子叶方向角β和苗径椭圆率P —(M)计算苗径椭圆的长短轴一(15)传递数据至控制机。
一种基于机器视觉的嫁接苗外部特征测量系统，其特征在于所述测量系统包括控制机、穴盘传送装置、运动控制装置以及图像采集装置，所述穴盘传送装置包括水平安装在机架底部的传送带，以及固定在传送带两侧机架上的两块导向板；所述运动控制装置包括设置在所述导向板上的用于检测穴盘位置的光电开关；所述图像采集装置包括设置在所述传送带上方的俯视相机、位于传送带运动方向的前方的正视相机，以及用于阻挡待测嫁接苗后方其它嫁接苗的可转动的挡板，所述挡板由挡板驱动电机驱动，挡板的转动轴线与传送带的运动方向平行；所述正视相机、俯视相机、光电开关、挡板驱动电机以及传送带的驱动电机均与所述控制机连接。所述俯视相机的镜头对着传送带布置，俯视相机的轴线与传送带的运动方向垂直。所述正视相机的镜头对着传送带布置，正视相机的轴线与传送带的运动方向平行。本发明所述测量系统的工作原理是I.俯视相机一次采集整盘嫁接苗的图像并传送给控制机，控制机根据俯视算法得到每个子叶的方向角β ;2-1.穴盘首次到达光电开关的位置处，光电开关发出信号至控制机，传送带停止工作；2-2.挡板向下旋转挡在两排苗中间，使得正视相机的视场中只有一排苗，正视相机采集第一排苗的图像并传送给控制机，控制机根据正视算法计算得到每株苗的苗径椭圆的长短轴参数，并根据获得的参数完成配对组合，指导机械手有效地抓取相应的苗株进行嫁接；3.机械手将当前一排苗抓取完备后，挡板向上旋转离开穴盘，控制机的电机控制程序控制传送带的驱动电机工作，使得传送带上的穴盘前进，当穴盘底部再次挡住光电开关的光线时，驱动电机停止工作，穴盘正好进给一个穴盘孔的长度，再重复步骤2-2对下一排嫁接苗进行测量；4.重复步骤3直到将整盘苗拍摄、测量、抓取完成。本发明的有益效果是本发明提供的测量方法以及系统为非接触式测量，有效避免接触式测量对幼苗的损伤，对嫁接苗的外部特征信息的获取准确度高，适用性广，适用于瓜科和葫芦科的多种作物；能高效率地为全自动嫁接设备提供有效参数信息，同时适用于嫁接苗的自动配对，提高嫁接成活率。此外，本系统不仅适用于嫁接前苗径信息的测量，也是用与前后苗的生长的观察测量；不仅适用于瓜科葫芦科，同时适用于所有双子叶幼苗的测量。
图I是本发明中测量系统的立体结构示意图。图2是图I中穴盘的立体结构放大图。图3是苗径椭圆的放大示意图。 图4是本发明中整体测量方法的流程图。图5是本发明中俯视算法的流程图。图6是本发明中正视算法的流程图。
具体实施例方式以下结合说明书附图，对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于以下实施例。一种基于机器视觉的嫁接苗外部特征测量系统，其特征在于所述测量系统包括控制机(为使图面整洁，省略不画)、穴盘传送装置、运动控制装置以及图像采集装置，所述穴盘传送装置包括水平安装在机架I底部的传送带6，以及固定在传送带两侧机架上的两块导向板10 ;所述运动控制装置包括设置在所述导向板上的用于检测穴盘7位置的光电开关5 (即光电传感器，发射器和接收器可以分别布置在两导向板上，常规结构)；所述图像采集装置包括设置在所述传送带上方的俯视相机2、位于传送带运动方向的前方的正视相机4 (图I的右侧方向为前方)，以及用于阻挡待测嫁接苗后方其它嫁接苗的可转动的挡板9，所述挡板由挡板驱动电机8驱动，挡板的转动轴线与传送带的运动方向平行；所述正视相机、俯视相机、光电开关、挡板驱动电机以及传送带的驱动电机(省略不画)均与所述控制机连接。所述俯视相机的镜头对着传送带布置(即俯视相机的镜头朝下布置)，俯视相机的轴线与传送带的运动方向垂直。所述正视相机的镜头对着传送带布置，正视相机的轴线与传送带的运动方向平行。穴盘中的幼苗一般成行成列布置，因此穴盘底部会有若干排突起7-1，可以阻挡所述光电开关的信号从而实现位置检测，常规结构，不作详细介绍。另外，为了防止所述挡板旋转过量，所述机架的上部设有对所述挡板限位的挡杆3，常规结构。本发明还提出了基于机器视觉的嫁接苗外部特征测量方法，包括以下步骤A.俯视相机从俯视方向一次采集整盘苗判断图像；B.根据俯视算法处理获得的图像，计算采集到的上述整盘嫁接苗图像中所有嫁接苗的子叶参数信息，包括子叶方向角β、子叶长短轴、子叶面积和生长点的参数，并将参数信息传送给控制机；C.正视方向采集一排嫁接苗的图像，利用正视算法计算该排嫁接苗中每棵嫁接苗的株高和苗径椭圆的长短轴的参数信息；并将参数信息传送给控制机以方便其完成配对组合，指导机械手有效地抓取相应的苗株进行嫁接；具体是穴盘首次到达光电开关的位置处停下来，挡板向下旋转挡在两排苗中间，使得正视相机的视场中只有一排苗，正视相机采集第一排苗的图像并传送给控制机，控制机依据苗径的椭圆率的经验值P (即苗径椭圆长短轴的比例，统计得到)计算得到每株苗苗径椭圆的长短轴，方便其完成配对组合，并指导机械手有效地抓取相应的苗株进行嫁接；
D.正视方向依次采集各排嫁接苗的图像，重复步骤C直至所有嫁接苗测量完毕；具体是机械手将当前一排苗抓取完备后，挡板向上旋转离开穴盘，控制机的电机控制程序控制传送带的驱动电机工作(可以采用运动控制卡)，使得传送带上的穴盘前进；当穴盘底部再次挡住光电开关的光线时，驱动电机停止工作，穴盘正好进给一个穴盘孔的长度；再重复步骤C对下一排嫁接苗进行测量，直到将整盘苗测量并抓取完成。上述基于机器视觉的嫁接苗外部特征测量方法，流程图如图4所示，包括以下流 程(1)获取俯视图像一⑵俯视算法一⑶计算子叶方向角β —⑷获取正视图像一(5)正视算法一(6)计算嫁接苗的正视直径D—(7)导入苗径椭圆率P —(8)计算苗径椭圆长短轴一(9)传递数据。上述俯视算法为现有常规算法，流程图如图5所示，包括以下步骤⑴图像获取—⑵高斯滤波一⑶Otsu 二值化一⑷形态学滤波一(5)区域化+过滤较小区域一(6)轮廓提取—⑴拐点提取一(8)拐点配对一(9)弧段配对一(10)拟合椭圆一(11)验证椭圆一(12)重新组合错误配对弧段，重复步骤(1Φ拟合椭圆一(13)重复步骤(11)、(12)直到没有剩余的轮廓段一(M)子叶组合—(15)椭圆长轴提取一(16)计算子叶方向角β —(17)生长点(生长点位于芽轴的顶端)提取一(18)传递数据至控制机。上述正视算法为现有常规算法，流程图如图6所示，包括以下步骤⑴图像获取—⑵高斯滤波一⑶Otsu 二值化一⑷形态学滤波一(5)区域化+过滤较小区域一(6)轮廓提取―⑴相机标定一(8)获取像素株高一(9)转化为真实株高一(10)得到抓取点位置一(11)获取像素正视直径一(12)转化为真实正视直径一(13)导入子叶方向角β和苗径椭圆率P —(M)计算苗径椭圆的长短轴一(15)传递数据至控制机。苗径椭圆长短轴的计算方法(常规方法):如图3为椭圆苗径横切面示意图，其中已知椭圆的长轴与短轴的比值P，即P=a/b ;椭圆短轴与光轴垂线的夹角β，椭圆长轴与光轴垂线的夹角α，且α+β = /2，椭圆在相机上的映射弦长L ;分别以椭圆的长短轴为Χ，Υ轴建立笛卡尔坐标系，A' A=2a为椭圆长轴；B' B=2b为椭圆长轴；τ' ,T为平行于相机光轴的光线与椭圆的切点；Ρ' ,P为过坐标系原点向两条切线做的公垂线的垂点P P = L;
, p/.yjtan / + !
a = ph= Λ..............................................二...........................................
2J/r tanJ/i + l贝叫,----
. !,Jtans β + I
b = -「======「
2如1 tan2 β + I上述控制机可以直接采用普通计算机，上述俯视算法、正视算法均为现有常规图像处理算法，可以通过计算机软件来实现，软件由普通程序员编写。上述正视相机、俯视相机、传送带以及电机均可外购获得。
权利要求
1.基于机器视觉的嫁接苗外部特征测量方法，包括以下步骤 A.俯视方向采集整盘嫁接苗的图像； B.利用图像处理算法，计算采集到的上述整盘嫁接苗图像中所有嫁接苗的子叶参数信息，包括子叶方向角、子叶长短轴、子叶面积和生长点的参数，并将参数信息传送给控制机； C.正视方向采集一排嫁接苗的图像；利用图像处理算法计算该排嫁接苗中每棵嫁接苗的株高和苗径椭圆的长短轴的参数信息；并将参数信息传送给控制机以方便其完成配对组合，指导机械手有效地抓取相应的苗株进行嫁接； D.正视方向依次采集各排嫁接苗的图像，重复步骤C直至所有嫁接苗测量完毕。
2.根据权利要求I所述的基于机器视觉的嫁接苗外部特征测量方法，其特征在于，所述俯视算法包括以下步骤 ⑴图像获取一⑵高斯滤波一⑶Otsu 二值化一⑷形态学滤波一(5)区域化+过滤较小区域一(6)轮廓提取一(7)拐点提取一(8)拐点配对一(9)弧段配对一(10)拟合椭圆一(11)验证椭圆— (12)重新组合错误配对弧段，重复步骤(1Φ拟合椭圆一(13)重复步骤(11)、(12)直到没有剩余的轮廓段一(M)子叶组合一(15)椭圆长轴提取一(16)计算子叶方向角β —(17)生长点提取一側传递数据至控制机。
3.根据权利要求I或2所述的基于机器视觉的嫁接苗外部特征测量方法，其特征在于，所述正视算法包括以下步骤 ⑴图像获取一⑵高斯滤波一⑶Otsu 二值化一⑷形态学滤波一(5)区域化+过滤较小区域一(6)轮廓提取一(7)相机标定一(8)获取像素株高一(9)转化为真实株高一(10)得到抓取点位置一(11)获取像素正视直径一(12)转化为真实正视直径一(13)导入子叶方向角β和苗径椭圆率P —(M)计算苗径椭圆的长短轴一(15)传递数据至控制机。
4.一种基于机器视觉的嫁接苗外部特征测量系统，其特征在于所述测量系统包括控制机、穴盘传送装置、运动控制装置以及图像采集装置，所述穴盘传送装置包括水平安装在机架(I)底部的传送带(6)，以及固定在传送带两侧机架上的两块导向板(10);所述运动控制装置包括设置在所述导向板上的用于检测穴盘(7)位置的光电开关(5);所述图像采集装置包括设置在所述传送带上方的俯视相机(2)、位于传送带运动方向的前方的正视相机(4)，以及用于阻挡待测嫁接苗后方其它嫁接苗的可转动的挡板(9)，所述挡板由挡板驱动电机(8)驱动，挡板的转动轴线与传送带的运动方向平行；所述正视相机、俯视相机、光电开关、挡板驱动电机以及传送带的驱动电机均与所述控制机连接。
5.根据权利要求4所述的一种基于机器视觉的嫁接苗外部特征测量系统，其特征在于所述俯视相机的镜头对着传送带布置，俯视相机的轴线与传送带的运动方向垂直。
6.根据权利要求4或5所述的一种基于机器视觉的嫁接苗外部特征测量系统，其特征在于所述正视相机的镜头对着传送带布置，正视相机的轴线与传送带的运动方向平行。
全文摘要
本发明涉及基于机器视觉的嫁接苗外部特征测量方法及系统。目的是提供的测量方法在不接触幼苗的前提下能测量出幼苗的外部特征参数；提供的测量系统应能准确地测量出幼苗的外部特征参数。技术方案是基于机器视觉的嫁接苗外部特征测量方法，包括以下步骤A.俯视方向采集整盘嫁接苗的图像；B.利用图像处理算法，计算采集到的上述整盘嫁接苗图像中所有嫁接苗的子叶参数信息，并将参数信息传送给控制机；C.正视方向采集一排嫁接苗的图像，利用图像处理算法计算该排嫁接苗中每棵嫁接苗的株高和苗径椭圆的长短轴的参数信息；并将参数信息传送给控制机；D．正视方向依次采集各排嫁接苗的图像，重复步骤C直至所有嫁接苗测量完毕。
文档编号G01B11/08GK102954762SQ20121041763
公开日2013年3月6日 申请日期2012年10月26日 优先权日2012年10月26日
发明者蔡丽苑, 贺磊盈, 杨蒙爱, 武传宇, 王哲禄 申请人:浙江理工大学