一种适用于作物全生育期多视角图像自动采集系统

1.本实用新型涉及一种适用于作物全生育期多视角图像自动采集系统及其专用栽培单元，尤其涉及结构较为复杂的目标作物（如生长中后期成熟植株根系和地上部）多视角图像采集系统。


背景技术：

2.作物表型是农学和生物学领域的重要研究课题之一，主要通过获取具有内在联系的作物表型数据，在可控环境下开展规模化表型评价，通过揭示不同生长环境对不同基因型作物表型的影响，挖掘基因
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环境
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表型互作关系。目前，从功能基因组学到作物栽培生理学各个层面的研究都需要测定大量植株不同层次表型性状。对作物多种表型信息的高效获取和精确分析已成为作物表型组学的一个重要研究方向。传统作物表型信息主要通过人工测定方式获取，存在效率低、误差不可控等问题。近几年来，国内外科研机构和大型企业已开始高通量植物表型测量平台的研发。
3.获取高精度植物三维信息是定量化提取作物表型性状的基础。非接触式三维信息采集技术（包括3d雷达lidar和激光扫描）已成功应用于植物三维结构测定，但此类仪器成本高昂、操作局限性大且对环境要求高；尤其对于结构较为复杂的目标体(如生长中后期枝叶繁密的植株地上部，或具有较多细长侧根的成熟根系)，测定难度大、耗时长，数据易缺失，难以实现高通量测定。随着多源图像解译技术的发展，基于立体视觉的三维重建为植物三维结构信息采集提供了一种低成本且高效、精确的方法。
4.基于多视角立体视觉进行植物三维重建已成为新趋势，并成功应用于室内或大田不同尺度植物地上部表型参数提取。基于图像重建的三维点云获取方法在根系三维结构定量化上也具有极大的应用价值，但需要合适的栽培方式固定根系的三维空间结构，使其在缺少土壤支撑时保证基本结构稳定。目前，人工获取结构较为复杂的目标体的多视角图像序列费时费力(一般需30分钟以上，200
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300张/株)，且成像视角不易规范化控制和调节，当采集的图像序列重叠程度低或分隔角度大时，容易出现三维重建失败的情况；此外，对于较高的植株，如玉米、高粱和油菜等，采用人工拍照的方式难以获取其顶部视角的图像序列。因此，构建适用于作物全生育期的、地上部和根系通用的多视角图像自动采集系统，以此为高通量作物表型信息系统性收集提供便捷、高效的智能装备和技术支持。


技术实现要素：

5.本实用新型克服了现有技术中的不足，在于提供一种能够高效获取作物多视角图像序列，以重建三维点云，进而定量提取作物表型参数的系统。
6.本实用新型的具体技术方案如下：
7.一种适用于作物全生育期多视角图像自动采集系统，包括底座、支撑架、载盘、旋转机构和弧型成像臂，
8.所述支撑架设在底座上，载盘设在支撑架上方用于放置作物栽培单元，旋转机构
用于驱动载盘做360度旋转运动；弧型成像臂设在支撑架上，弧型成像臂上设有多个拍照单元，多个拍照单元的镜头指向作物栽培单元、对作物栽培单元中的作物进行全方向成像。
9.优选的，所述适用于作物全生育期多视角图像自动采集系统还包括回转机构，所述回转机构驱动支撑架做360度旋转运动。
10.优选的，所述弧型成像臂为圆弧型成像臂，其半径为1.2～2 m，圆心角为80
º
～120
º
。
11.优选的，所述拍照单元有7～11个，等间距的设在圆弧型成像臂上，所有拍照单元的镜头指向作物栽培单元中的待测植株。
12.优选的，所述拍照单元包括相机、调节板和安装底座，所述安装底座设在圆弧型成像臂上，调节板朝向圆弧型成像臂的圆心，其一端与安装底座连接，另一端与相机连接；相机可相对调节板转动，调节板可以沿圆弧型成像臂的圆心方向进行调节。
13.优选的，所述安装底座可沿圆弧型成像臂的弧线方向进行调节。
14.优选的，所述支撑架上设有背景板，所述背景板垂直连接在支撑架的一侧，圆弧型成像臂设在支撑架的另一侧。
15.优选的，所述作物栽培单元包括栽培底座，设在栽培底座上的圆筒，所述圆筒内设有根系结构支撑网架，根系结构支撑网架包括多个竖向支撑杆、设在竖向支撑杆上多个相互平行的网格圆盘。
16.优选的，所述圆筒由两个可拆卸的半圆pvc管组成，圆筒外间隔设有多个管箍，圆筒的内径为35～45cm，高为50～110 cm。
17.优选的，所述网格圆盘有4～8个，网格圆盘中网格大小为10 mm
×
10 mm。
18.本实用新型中载盘做360度旋转运动，或者支撑架做360度旋转运动；弧型成像臂上的多个拍照单元同时对载盘上的作物进行全方位、多角度的自动化成像；应用采集的多视角图像序列进行作物三维点云重建，从而高效、精确获得作物三维结构信息。本实用新型结构简单，自动化程度高，可高效获取作物表型信息，适用于作物地上部和根系、作物不同生育期以及过高过大或结构较为复杂的多种作物表型的测定。完成单株作物多视角图像序列采集只需3
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5分钟/株，可以采集264
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396张图像，在高效获取作物表型信息的同时有效节省了劳动力。此外，本实用新型微单相机的结构布置，可使其对成像视角和焦点进行规范化调节和控制，避免了因图像序列重叠度低或分隔角大而造成的三维重建失败的情况。
附图说明
19.图1为本实用新型所述作物表型获取系统的结构示意图；
20.图2为图1中的a部放大图；
21.图3为本实用新型所述作物栽培单元的结构示意图；
22.图4为图3的侧视图；
23.图5为图4的a
‑
a剖面图。
具体实施方式
24.以下将结合附图对本实用新型的较佳实施例进行详细说明，以便更清楚理解本实用新型的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本实用新型范围的限
制，而只是为了说明本实用新型技术方案的实质精神。另外，本实用新型未提交部分均为现有技术。
25.参见图1至图2，本实用新型涉及一种适用于作物全生育期多视角图像自动采集系统，包括底座4、支撑架8、载盘9、旋转机构和弧型成像臂6，所述支撑架8设在底座4上，载盘9设在支撑架8上方用于放置作物栽培单元10，旋转机构用于驱动载盘9做360度旋转运动，旋转机构优选为内齿回转支承（图中未画出），内齿回转支承在伺服电机（图中未画出）的带动下旋转，从而带动载盘9做360度旋转运动；弧型成像臂6设在支撑架8的竖向架体5上，弧型成像臂6上设有多个拍照单元7，多个拍照单元7的镜头指向作物栽培单元10，对作物栽培单元中的作物进行全方向成像。底座4的底部设有4个福马脚轮2，便于对整个装置进行移动。
26.进一步的，所述适用于作物全生育期多视角图像自动采集系统还包括回转机构3，所述回转机构3驱动支撑架8做360度旋转运动；回转机构3优选为回转支承轴承，回转支承轴承在伺服电机（图中未画出）的带动下旋转，从而带动支撑架8做360度旋转运动。所述适用于作物全生育期多视角图像自动采集系统包括两种旋转成像模式；模式1，弧型成像臂6不动，载盘9带动植株旋转，节省成像空间，适用于旋转时植物器官不易晃动的作物；模式2，载盘9及载盘9上的植株不动，支撑架8带动弧型成像臂6旋转，适用于旋转时植物器官易晃动的作物，避免因植株抖动影响成像质量和三维重建效果。
27.进一步的，所述弧型成像臂6为圆弧型成像臂，其半径为1.2～2 m，圆心角为80
º
～120
º
。
28.进一步的，所述拍照单元7有7～11个，等间距的设在圆弧型成像臂6上，所有拍照单元的镜头指向作物栽培单元中的待测植株。所有拍照单元可同时对植物成像，通过旋转机构3旋转控制和拍照单元7成像控制的配合，高效获取植物多视角图像序列以生成植物稠密3d点云；以此定量提取作物表型信息。
29.进一步的，所述拍照单元7包括相机7
‑
1、调节板7
‑
2和安装底座7
‑
3，所述安装底座7
‑
3设在圆弧型成像臂6上，调节板7
‑
2朝向圆弧型成像臂6的圆心，其一端与安装底座7
‑
3连接，另一端与相机7
‑
1连接；相机7
‑
1可相对调节板7
‑
2转动，对相机7
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1镜头的朝向进行调整；调节板7
‑
2可以沿圆弧型成像臂6的圆心方向进行调节。优选的，调节板7
‑
2沿长度方向的两侧对称设有多个腰型孔7
‑
4，安装时，调节板7
‑
2通过对腰型孔7
‑
4进行选择，从而沿圆弧型成像臂6的圆心方向对拍照单元7的位置进行调节。
30.进一步的，所述安装底座7
‑
3可沿圆弧型成像臂6的弧线方向进行调节；优选的，所述圆弧型成像臂6沿弧线方向间隔设有多个安装孔7
‑
5，安装时，安装底座7
‑
3可以对安装孔7
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5的间距进行选择，从而对拍照单元7的间距进行调节。本方案中，调节板7
‑
2沿圆弧型成像臂6的圆心方向可调节，安装底座7
‑
3可沿圆弧型成像臂6的弧线方向进行调节，相机7
‑
1可相对调节板7
‑
2转动，对相机7
‑
1镜头的朝向进行调整，从而可以调节成像焦点和成像视角，以获得细节丰富的图像。
31.进一步的，所述支撑架8上设有背景板1，所述背景板1垂直连接在支撑架8的一侧，圆弧型成像臂6设在支撑架8的另一侧；背景板1采用黑色，设置背景板1不仅可为作物拍摄时提供背景，还能避免光线对成像质量的影响，去除作物之外的背景特征点对重建的干扰。
32.参见图3至图5，进一步的，所述作物栽培单元10包括栽培底座10
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1，设在栽培底座10
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1上的圆筒10
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2，所述圆筒10
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2内设有黑色根系结构支撑网架10
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4，根系结构支撑网架
10
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4包括多个竖向支撑杆10
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5，设在竖向支撑杆10
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5上多个相互平行的网格圆盘10
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6。相邻两个网格圆盘10
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6之间的间距可以根据圆盘个数进行调节。
33.进一步的，所述圆筒10
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2由两个可拆卸的半圆pvc管组成，圆筒10
‑
2外间隔设有多个管箍10
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3，圆筒10
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2的内径为35～45cm，高为50～110 cm；优选的圆筒10
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2的内径为40cm，高为100cm。所述圆筒用于栽培作物，在对根系进行成像前，将所述管箍10
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3和两个半圆pvc管拆卸，暴露出完整土柱；在土壤被洗净后，对根系和根系结构支撑网架进行成像。
34.进一步的，所述网格圆盘10
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6有4～8个，网格圆盘10
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6中网格大小为10 mm
×
10 mm；优选的，所述网格圆盘10
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6有6个，顶部自上往下第一个网格圆盘距离顶部的距离为10 cm，其他网格圆盘的间距为15cm。优选的，根系结构支撑网架、支撑杆、网格圆盘均采用黑色，方便在三维重建后利用色差去噪法去除根系之外的三维点云。
35.所述作物栽培单元仅在根系为成像主体时使用，所述圆筒用于栽培作物，所述根系结构支撑网架用于根系三维结构的支撑和固定。对地上部成像时，直接将盆栽作物置于载盘；以地上部为成像主体，调节微单相机成像视角和成像焦点。对根系成像时，采用所述作物栽培单元栽培作物，洗去土壤后将根系和根系结构支撑网架置于载盘；以根系结构支撑网架上的根系为成像主体，调节微单相机成像视角和成像焦点。
36.植物生育前期根系主要横向发展，生育中期根系才穿过网格圆盘，伸入土壤下层，迅速向下发展；采用根系结构支撑网架，并且对网格圆盘的个数、距离、网格大小进行了限定，有效固定了根系在土壤中的自然生长状态，提高了根系表型测定的准确性。
37.本实用新型仅以上述实施例进行说明，各部件的结构、设置位置及其连接都是可以有所变化的。在本实用新型技术方案的基础上，凡根据本实用新型原理对个别部件进行的改进或等同变换，均不应排除在本实用新型的保护范围之外。