CN109115776A - 一种基于颜色和深度信息的穴盘苗长势无损监测方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种基于颜色和深度信息的穴盘苗长势无损监测方法与装置，Kinect传感器获取穴盘苗彩色图像与深度图像，通过彩色图像超绿处理、联通处理后自动识别穴盘苗发芽率；通过彩色图像与深度图像配准，得到三维点云重建后获取的幼苗叶面积，利用形心坐标深度信息提取后获得幼苗株高，采用幼苗叶面积与株高的复合指标进行壮苗指数无损自动监测。本发明解决了穴盘苗发芽率无法自动识别、移栽穴盘苗时对穴盘苗健康判断方式过于简单，无法融合多项指标进行壮苗选择的问题；对于叶片伸展充分、无遮挡的幼龄秧苗测量精度较高，为进一步开发温室蔬菜穴盘秧苗发芽率及长势在线监测设备提供重要技术支撑。
Description
技术领域
本发明属于视觉图像领域，特别涉及一种基于颜色和深度信息的穴盘苗长势无损监测方法与装置。
背景技术
穴盘育苗是一种现代化育苗技术，具有出苗率高、整齐度好、移栽后缓苗期短、病虫害少、省工省时等优点，代表了育苗技术的发展方向，受到种植业者的欢迎。但是穴盘苗在发芽至移栽期间的监测目前研究较少，这块研究的缺失会直接导致后期移栽时采用不健康苗，进而导致后期作物死亡率高，蔬果产量低。目前的研究技术仅在移栽时判别穴盘里作物的存在与否，叶片大小是否达到移栽要求，没有幼苗健康状况的监测。
目前，国内外穴盘苗移栽领域工作者进行了很多针对穴盘苗移栽时幼苗生长情况的发明研究。中国专利(CN201611253837.2)公开了一种用于作物穴盘苗CT扫描根系三维重构成像的育苗方法，该方法用作物穴盘苗的根系吸收CT造影剂，通过对断层图片进行阈值分割，将根系从育苗基质中分离出，生成完整性和清晰度较高的根系三维图像；该方法 CT造影剂破坏了根系已有的生态环境，对幼苗造成了损伤。中国专利(CN201310446714.0) 公开了一种穴盘苗检测系统和方法，根据图像采集单元采集的激光图像计算出待测穴盘苗顶部叶片的像素面积，根据图像采集单元采集的由激光图像计算出待测穴盘苗的高度值；该方法所用的激光设备昂贵，且无法排除光照对测量数据的影响。中国专利(CN201210498767.2)公开了一种用于穴盘苗移栽的识别定位移栽方法，该方法通过移栽机有选择性地抓取健康苗的技术,在于对穴盘苗的定位研究，对于幼苗壮苗状况判别的方法简单，对叶面积测量与株高测量采用手工测量，操作耗时且测量精度低。上述研究均无法综合考虑穴盘幼苗的发芽率与壮苗状况，未实现幼苗壮苗状况的自动无损检测与评估。
发明内容
为了解决现有技术中存在的不足，本发明提出了一种基于颜色和深度信息的穴盘苗长势无损监测方法与装置，通过Kinect传感器获取穴盘苗彩色图像与深度图像，通过彩色图像超绿处理、联通处理后自动识别穴盘苗发芽率；通过彩色图像与深度图像配准，得到三维点云重建后获取的幼苗叶面积，通过形心坐标深度信息提取后获得幼苗株高，采用幼苗叶面积与株高的复合指标进行壮苗指数无损自动监测。解决了穴盘苗发芽率无法自动识别、移栽穴盘苗时对穴盘苗健康判断方式过于简单，无法融合多项指标进行壮苗选择的问题。对于叶片伸展充分、无遮挡的幼龄秧苗测量精度较高，为进一步开发温室蔬菜穴盘秧苗发芽率及长势在线监测设备提供重要技术支撑。
本发明是采用以下技术方案实现上述技术目的。
一种基于颜色和深度信息的穴盘苗长势无损监测方法，采集穴盘苗幼苗发芽后3-5天中任意一天的彩色图像和深度图像，通过彩色图像处理获得每盘穴盘苗的发芽率；采集穴盘苗幼苗可移栽前的彩色图像与深度图像，通过彩色图像处理和深度信息提取，获取植株叶面积与株高，叶面积与株高之比即可表示该株幼苗的壮苗指数；每盘随机选择k株幼苗作为观测样本，将k株幼苗对应的叶面积与株高之比的和之后取平均后获取该穴盘幼苗的壮苗指数。
进一步，所述彩色图像和深度图像由Kinect传感器采集。
进一步，通过彩色图像处理获得每盘穴盘苗的发芽率的具体过程为：将彩色图像进行超绿灰度化后获取灰度图，采用大率算法进行全局灰度阈值分割后获取最佳阈值，根据最佳阈值将灰度图转换为二值图，采用4联通准则导出目标区域个数即为每盘穴盘苗的发芽个数，发芽个数与穴盘格数之比为发芽率。
进一步，幼苗可移栽前的彩色图像灰度化，采用大率算法进行阈值分割后获取最佳阈值，根据最佳阈值将灰度图转换为二值图，采用单连通区域统计法对二值图像去燥，获取目标单连通区域为O。
进一步，对目标单连通区域O进行最小外接矩形法统计，获得形心像素点信息，将该形心像素点信息映射到对应的深度图像，获得该形心坐标下的深度信息，该深度信息可表示 Kinect传感器与形心的距离x1，则该株幼苗株高h为：h＝x3-x1-x2，其中x2为穴盘高度，常数x3为Kinect传感器距离穴盘底面的高度。
进一步，若几个单连通区域的形心坐标在一个穴孔矩形则归为一株黄瓜穴盘苗，调用映射函数，实现该株幼苗彩色图像和深度图像的对齐，输出所有灰度值大于0的像素点的三维坐标，得到叶片的三维点云，对三维点云均匀化、遍历插值后，得到叶片的拟合曲面，利用像素点坐标间的差与比例尺rt之积可计算三个顶点之间的相互距离，通过三个顶点之间的相互距离计算每一个拟合曲面中网格的面积并求和，即可得到该株幼苗叶片拟合曲面的总面积S。
进一步，所述比例尺其中Et为空穴盘的实际面积，Ft为穴盘图像像素点数目，t表示对应的穴盘格数。
进一步，所述穴盘幼苗的壮苗指数其中sj和hj分别为幼苗对应植株叶面积与株高。
进一步，所述可移栽前穴盘苗幼苗的条件为两叶一心。
一种基于颜色和深度信息的穴盘苗长势无损监测装置，包括可移动支架、穴盘苗、Kinect 传感器、便携式计算机及行走装置，可移动支架上方安装Kinect传感器，Kinect传感器与便携式计算机相连，Kinect传感器采集黄瓜穴盘苗的彩色图像与深度图像，通过便携式计算机实现对穴盘苗发芽率与壮苗指数自动监测；所述行走装置包括车轮、链轮、链条、电机、传动齿轮、垄间导轨，可移动支架的底端与车轮连接，车轮与链轮连接，链轮中嵌有链条，链条两端装有传动齿轮，链条的一端还装有电机，车轮在垄间导轨上移动。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明在穴盘苗发芽率与壮苗指数自动识别中，通过彩色图像超绿处理获得每盘穴盘苗的发芽率,实现了穴盘发芽率的精准自动监测；通过彩色图像与深度图像配准，得到三维点云重建后获取的幼苗叶面积，能精准获取幼苗叶面积，解决了使用叶面积仪测定叶面积价格昂贵且不适合幼苗测量的不足；通过深度图像处理快速获得每株幼苗株高，解决了抽样后手工测量，操作耗时且测量精度低的不足；将每穴盘随机选择的黄瓜幼苗对应植株叶面积与株高之比的和取平均后表示该穴盘幼苗的壮苗指数，实现了壮苗率的自动精准监测。
附图说明
图1为本发明基于颜色-深度信息的穴盘苗长势无损监测装置示意图；
图2为可移动支架装置示意图；
图3为本发明穴盘苗长势无损监测流程图。
图中：1-可移动支架、2-穴盘苗、3-Kinect传感器、4-便携式计算机，5-车轮、6-链轮、 7-链条、8-电机、9-传动齿轮、10-垄间导轨。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明的技术方案做进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于此。
本发明提出了一种基于颜色-深度信息的穴盘苗长势无损监测方法与装置，通过Kinect 传感器获取穴盘苗彩色图像与深度图像，通过彩色图像超绿处理、联通处理后自动识别穴盘苗发芽率；通过彩色图像与深度图像配准，得到三维点云重建后获取的幼苗叶面积，通过形心坐标深度信息提取后获得幼苗株高，采用幼苗叶面积与株高的复合指标进行壮苗指数无损自动监测。解决了穴盘苗发芽率无法自动识别、移栽穴盘苗时对穴盘苗健康判断方式过于简单，无法融合多项指标进行壮苗选择的问题。对于叶片伸展充分、无遮挡的幼龄秧苗测量精度较高，为进一步开发温室蔬菜穴盘秧苗发芽率及长势在线监测设备提供重要技术支撑。
以黄瓜穴盘幼苗分析为例，具体实施方法分以下步骤进行。
如图1、2所示，一种基于颜色-深度信息的穴盘苗长势无损监测装置，包括可移动支架1、黄瓜穴盘苗2、Kinect传感器3及便携式计算机4，其中可移动支架1上方安装Kinect传感器3，Kinect传感器3与便携式计算机4相连，Kinect传感器3采集黄瓜穴盘苗2的彩色图像与深度图像，通过应用便携式计算机4上的MATLAB软件实现对穴盘苗发芽率与壮苗指数自动监测；可移动支架1为类“门”字型，支架底端连接行走装置，行走装置包括：车轮5、链轮6、链条7、电机8、传动齿轮9，可移动支架1底端分别连接两个车轮5：车轮5的中间轴与可移动支架1焊接在一起，车轮5滚动时带动可移动支架1移动，车轮5 与链轮6通过键轴连接，链轮6中嵌有链条7，链条7两端装有传动齿轮9，并链条7的一端还装有电机8。可移动支架1行走方式：电机8转动，带动传动齿轮9转动，传动齿轮9 通过传动链条7传输动力，传动链条7的转动带动链轮6滚动，车轮5在垄间导轨10上滚动，从而带动可移动支架1移动，垄间导轨10设置于地面上。通过电机脉宽调制(PWM) 技术，改变脉冲占空比，控制可移动支架1的前进或后退方向，并实现行走速度的精准控制，此控制方法具有响应速度好、稳定精度高、抗干扰性好、调速范围宽、系统结构简单、工作可靠等优点。
本实例中，温室垄间可移动支架1的高度为2米，穴盘规格分别为32(4*8)、50(5*10)、 72(6*12)、128(8*16)、200(10*20)穴格的穴盘，育苗种子为中寿35号黄瓜，育苗基质采用镇江培蕾基质科技发展有限公司的育苗基质，Kinect传感器3是微软公司的Kinect2.0深度相机，彩色图像有效像素为1920*1018，红外图像有效像素为512*424，便携式计算机的处理器为Intel(R)Core(TM)i5-4210UCPU@1.70GHz 2.40GHz,系统类型为64-bitoperating system,x64-based processer，内存为4GB，硬盘容量为450GB，彩色图像处理与深度图像处理在MATLAB2016a环境下处理。
如图3所示，具体的监测过程为：
步骤一、如图1所示，Kinect传感器3伴随可移动支架1的移动，在穴盘苗2发芽后3-5天依次采集不同穴盘的幼苗图像，包括彩色图和深度图，按时间顺序保存在便携式计算机4中；在穴盘苗长至可移栽前依次采集不同穴盘的幼苗图像，包括彩色图和深度图，按时间顺序保存在便携式计算机4中。
步骤二、将步骤一中发芽后的彩色图像导入MATLAB2016a中，采用超绿灰度化因子(2G-R-B)来将黄瓜穴盘幼苗图像灰度化(R、G、B为红、绿、蓝三个颜色通道)，获取黄瓜穴盘幼苗绿色特征；可通过改变G-R-B前面系数，来得到最清晰的穴盘轮廓，本实施例黄瓜穴盘苗的最佳灰度化因子为2.5G-R-1.5B。
上式中，f(x,y)是像素点(x,y)的超绿灰度值。
步骤三、采用大率算法(Ostu’s method)对步骤二中获得的超绿图像进行全局灰度阈值分割，调用graythresh函数计算全局灰度阈值，再调用im2bw函数按上述阈值将灰度图转换为二值图。
步骤四、根据目标和背景区域的不同连通性，采用4联通准则，调用bwlabel函数判定目标区域连通个数，导出的目标区域个数为n1，刚发芽幼苗无遮挡，联通性强，连通区域能包含整株幼苗，故目标区域个数可记为发芽个数n1，在MATLAB命令窗口输入穴盘格数 n2，则该穴盘发苗芽率a为：
a＝n1/n2 (2)
步骤五、将步骤一中黄瓜穴盘苗长至可移栽前的某一天的彩色图像导入MATLAB2016a 中，由于叶片较大，所以穴盘及基质的颜色特征影响减弱，可直接采用超绿灰度化因子 (2G-R-B)来将黄瓜穴盘幼苗图像灰度化，获取黄瓜穴盘幼苗绿色特征。
上式中，f'(x,y)是像素点(x,y)的超绿灰度值；采用大率算法对获得的超绿图像进行最大类间方差分割，调用graythresh函数计算全局灰度阈值，调用MATLAB函数im2bw按上述全局灰度阈值将灰度图转换为二值图。
步骤六、采用单连通区域统计法对步骤五中的二值图像去燥，设定一个面积阈值t，去除面积小于阈值t的孤立边缘点；设有n个单连通区域分布在图像中，对于任意一个区域Qi，可通过阈值t统计噪声：
上式中，ci是单连通区域面积，t为设定的面积阈值，B为背景集合，O为目标集合。
步骤七、对步骤六中所获得的目标单连通区域进行最小外接矩形法统计，获得形心的像素点坐标为(n1,n2)，调用Kinect for windows SDK提供的映射函数Map Depth ToColor Image Point，实现该株幼苗彩色图像和深度图像的对齐，即将彩色图像中的像素点(n1,n2)映射到深度图中的像素点(n1',n2',x1),则相机与形心的距离为x1，穴盘高度为x2(由穴盘规格决定)，Kinect相机距离穴盘底面的高度为常数x3(由可移动支架1的高度决定),则该株幼苗株高h为：
h＝x3-x1-x2 (5)
步骤八、记32(4*8)、50(5*10)、72(6*12)、128(8*16)、200(10*20)空穴格的穴盘实际面积为Et(其中右下角下标t表示对应的穴盘格数),MATLAB2016a中提取出穴盘图像像素点数目为Ft(其中右下角下标t表示对应的穴盘格数),可以根据公式算出不同规格穴盘的不同比例尺rt：
其中t表示对应的穴盘格数，本实验取t＝32,50,72,128,200格,根据公式(5)可以将X,Y 两个轴的像素尺寸转换为物理尺寸，用于叶面积的计算；由于Kinect传感器的深度值是物理尺寸值(出厂时已标定好)，因此Z轴不需要进行标定。
步骤九、找出步骤六中的单连通区域，若几个单连通区域的形心坐标在一个穴孔矩形 (本实验在一个矩形穴孔内的单连通区域未超过5个)则归为一株黄瓜穴盘苗。调用映射函数像中的每一个像素点(u,v)映射到深度图中的像素点(x,y,z)，输出所有灰度值大于0 的像素点的三维坐标，得到叶片的三维点云。对三维点云使用MATLAB函数griddata(x,y,z,X1,Y1)进行Map Depth To Color Image Point，实现该株幼苗彩色图像和深度图像的对齐，将彩色图插值使其均匀化；使用MATLAB函数surf(X,Y,Z)再进行曲面拟合，数据镂空依据轮廓点集进行，遍历插值后的曲面，得到叶片的拟合曲面；叶片曲面由大量的立体小网格构成，网格有3个顶点时，利用像素点坐标间的差与步骤八中的比例尺rt之积可计算顶点之间的相互距离a、b、c，再使用Heron’s formula公式计算小网格面积S′:
按照公式(7)计算每一个网格的面积并求和，得到该株幼苗叶片拟合曲面的总面积S。
步骤十、黄瓜幼苗叶面积和株高在本实施例中作为复合壮苗指数的指标，当穴盘苗长 至可移栽前用Kinect传感器对穴盘苗进行彩色图像和深度图像的提取，MATLAB根据穴盘 规格自动从穴盘苗左上方第一行开始编号，从左到右标记每格编号为P(m,n)，m为第m行 穴孔，n为第n列穴孔，按穴盘规格生成5对随机数序列 (m1，n1)，(m2，n2)，(m3，n3)，(m4，n4)，(m5，n5)，每盘随机选择5株黄瓜幼苗作为观测样本，将该5 株黄瓜幼苗对应植株叶面积sj(1≤j≤5)与株高hj(1≤j≤5)之比的和取平均后可表示该穴盘 幼苗的壮苗指数I：
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制,所属领域技术人员应该明白,在本发明的技术方案的基础上,本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (10)
1.一种基于颜色和深度信息的穴盘苗长势无损监测方法，其特征在于，采集穴盘苗幼苗发芽后3-5天中任意一天的彩色图像和深度图像，通过彩色图像处理获得每盘穴盘苗的发芽率；采集穴盘苗幼苗可移栽前的彩色图像与深度图像，通过彩色图像处理和深度信息提取，获取植株叶面积与株高，叶面积与株高之比即可表示该株幼苗的壮苗指数；每盘随机选择k株幼苗作为观测样本，将k株幼苗对应的叶面积与株高之比的和之后取平均后获取该穴盘幼苗的壮苗指数。
2.根据权利要求1所述的一种基于颜色和深度信息的穴盘苗长势无损监测方法，其特征在于，所述彩色图像和深度图像由Kinect传感器采集。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于颜色和深度信息的穴盘苗长势无损监测方法，其特征在于，通过彩色图像处理获得每盘穴盘苗的发芽率的具体过程为：将彩色图像进行超绿灰度化后获取灰度图，采用大率算法进行全局灰度阈值分割后获取最佳阈值，根据最佳阈值将灰度图转换为二值图，采用4联通准则导出目标区域个数即为每盘穴盘苗的发芽个数，发芽个数与穴盘格数之比为发芽率。
4.根据权利要求1所述的一种基于颜色和深度信息的穴盘苗长势无损监测方法，其特征在于，幼苗可移栽前的彩色图像灰度化，采用大率算法进行阈值分割后获取最佳阈值，根据最佳阈值将灰度图转换为二值图，采用单连通区域统计法对二值图像去燥，获取目标单连通区域为O。
5.根据权利要求1或4所述的一种基于颜色和深度信息的穴盘苗长势无损监测方法，其特征在于，对目标单连通区域O进行最小外接矩形法统计，获得形心像素点信息，将该形心像素点信息映射到对应的深度图像，获得该形心坐标下的深度信息，该深度信息可表示Kinect传感器与形心的距离x1，则该株幼苗株高h为：h＝x3-x1-x2，其中x2为穴盘高度，常数x3为Kinect传感器距离穴盘底面的高度。
6.根据权利要求5所述的一种基于颜色和深度信息的穴盘苗长势无损监测方法，其特征在于，若几个单连通区域的形心坐标在一个穴孔矩形则归为一株黄瓜穴盘苗，调用映射函数，实现该株幼苗彩色图像和深度图像的对齐，输出所有灰度值大于0的像素点的三维坐标，得到叶片的三维点云，对三维点云均匀化、遍历插值后，得到叶片的拟合曲面，利用像素点坐标间的差与比例尺rt之积可计算三个顶点之间的相互距离，通过三个顶点之间的相互距离计算每一个拟合曲面中网格的面积并求和，即可得到该株幼苗叶片拟合曲面的总面积S。
7.根据权利要求6所述的一种基于颜色和深度信息的穴盘苗长势无损监测方法，其特征在于，所述比例尺其中Et为空穴盘的实际面积，Ft为穴盘图像像素点数目，t表示对应的穴盘格数。
8.根据权利要求6或7所述的一种基于颜色和深度信息的穴盘苗长势无损监测方法，其特征在于，所述穴盘幼苗的壮苗指数其中sj和hj分别为幼苗对应植株叶面积与株高。
9.根据权利要求1所述的一种基于颜色和深度信息的穴盘苗长势无损监测方法，其特征在于，所述可移栽前穴盘苗幼苗的条件为两叶一心。
10.一种根据权利要求1所述的基于颜色和深度信息的穴盘苗长势无损监测方法的装置，其特征在于，包括可移动支架(1)、穴盘苗(2)、Kinect传感器(3)、便携式计算机(4)及行走装置，可移动支架(1)上方安装Kinect传感器(3)，Kinect传感器(3)与便携式计算机(4)相连，Kinect传感器(3)采集黄瓜穴盘苗(2)的彩色图像与深度图像，通过便携式计算机(4)实现对穴盘苗发芽率与壮苗指数自动监测；所述行走装置包括车轮(5)、链轮(6)、链条(7)、电机(8)、传动齿轮(9)、垄间导轨(10)，可移动支架(1)的底端与车轮(5)连接，车轮(5)与链轮(6)连接，链轮(6)中嵌有链条(7)，链条(7)两端装有传动齿轮(9)，链条(7)的一端还装有电机(8)，车轮(5)在垄间导轨(10)上移动。
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