專利名稱：基于機器視覺的嫁接苗外部特征測量方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及果蔬嫁接技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種基于機器視覺的嫁接苗外部特征測量方法及系統(tǒng)，可用于輔助嫁接機嫁接時自動匹配相應(yīng)苗木直徑的砧木苗和接穗苗，提高嫁接速度和嫁接成活率。
背景技術(shù)：
我國蔬菜的種植面積較大，但嫁接作業(yè)的機械化水平不高，尤其是嫁接作業(yè)的機械化裝備水平較低，不能滿足人民日益增長的物質(zhì)生活需求。近年來，國內(nèi)科技人員對嫁接機械做了重點研究，也取得了階段性成果；但還有許多尚未解決的問題，特別是如何提高果蔬嫁接效率和嫁接成活率，需要人們進一步的予以研究。獲取嫁接苗的各項外部特征參數(shù)是嫁接機進行自動嫁接的前提條件，對于各項外部特征參數(shù)，傳統(tǒng)的測量方法都是接觸式的逐個測量，效率低且容易損傷幼苗，因此快速的非接觸式測量方法成為研究熱點，其中以視覺檢測的研究尤為突出。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是克服上述背景技術(shù)存在的不足，提供一種基于機器視覺的嫁接苗外部特征測量方法，該測量方法在不接觸幼苗的前提下能測量出幼苗的外部特征參數(shù)，而且具有測量快速、結(jié)果準確的特點；還提供一種基于機器視覺的嫁接苗外部特征測量系統(tǒng)，該測量系統(tǒng)應(yīng)能準確地測量出幼苗的外部特征參數(shù)，而且具有結(jié)構(gòu)簡單、自動化程度高、操作方便的特點。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是基于機器視覺的嫁接苗外部特征測量方法，包括以下步驟A.俯視方向采集整盤嫁接苗的圖像；B.利用圖像處理算法，計算采集到的上述整盤嫁接苗圖像中所有嫁接苗的子葉參數(shù)信息，包括子葉方向角、子葉長短軸、子葉面積和生長點的參數(shù)，并將參數(shù)信息傳送給控制機；C.正視方向采集一排嫁接苗的圖像，利用圖像處理算法計算該排嫁接苗中每棵嫁接苗的株高和苗徑橢圓的長短軸的參數(shù)信息；并將參數(shù)信息傳送給控制機以方便其完成配對組合，指導(dǎo)機械手有效地抓取相應(yīng)的苗株進行嫁接；D.正視方向依次采集各排嫁接苗的圖像，重復(fù)步驟C直至所有嫁接苗測量完畢。所述俯視算法包括以下步驟⑴圖像獲取一⑵高斯濾波一⑶Otsu 二值化一⑷形態(tài)學濾波一(5)區(qū)域化+過濾較小區(qū)域一(6)輪廓提取一(7)拐點提取一(8)拐點配對一(9)弧段配對一(10)擬合橢圓一(11)驗證橢圓一(12)重新組合錯誤配對弧段，重復(fù)步驟(IQ)擬合橢圓一(13)重復(fù)步驟(11)、(12)直到?jīng)]有剩余的輪廓段一(M)子葉組合一(15)橢圓長軸提取一(16)計算子葉方向角β —(17)生長點提取一側(cè)傳遞數(shù)據(jù)至控制機。所述正視算法包括以下步驟⑴圖像獲取一⑵高斯濾波一⑶Otsu 二值化一⑷形態(tài)學濾波一(5)區(qū)域化+過濾較小區(qū)域一(6)輪廓提取一(7)相機標定一(8)獲取像素株高一(9)轉(zhuǎn)化為真實株高一(10)得到抓取點位置一(11)獲取像素正視直徑一(12)轉(zhuǎn)化為真實正視直徑一(13)導(dǎo)入子葉方向角β和苗徑橢圓率P —(M)計算苗徑橢圓的長短軸一(15)傳遞數(shù)據(jù)至控制機。
一種基于機器視覺的嫁接苗外部特征測量系統(tǒng)，其特征在于所述測量系統(tǒng)包括控制機、穴盤傳送裝置、運動控制裝置以及圖像采集裝置，所述穴盤傳送裝置包括水平安裝在機架底部的傳送帶，以及固定在傳送帶兩側(cè)機架上的兩塊導(dǎo)向板；所述運動控制裝置包括設(shè)置在所述導(dǎo)向板上的用于檢測穴盤位置的光電開關(guān)；所述圖像采集裝置包括設(shè)置在所述傳送帶上方的俯視相機、位于傳送帶運動方向的前方的正視相機，以及用于阻擋待測嫁接苗后方其它嫁接苗的可轉(zhuǎn)動的擋板，所述擋板由擋板驅(qū)動電機驅(qū)動，擋板的轉(zhuǎn)動軸線與傳送帶的運動方向平行；所述正視相機、俯視相機、光電開關(guān)、擋板驅(qū)動電機以及傳送帶的驅(qū)動電機均與所述控制機連接。所述俯視相機的鏡頭對著傳送帶布置，俯視相機的軸線與傳送帶的運動方向垂直。所述正視相機的鏡頭對著傳送帶布置，正視相機的軸線與傳送帶的運動方向平行。本發(fā)明所述測量系統(tǒng)的工作原理是I.俯視相機一次采集整盤嫁接苗的圖像并傳送給控制機，控制機根據(jù)俯視算法得到每個子葉的方向角β ;2-1.穴盤首次到達光電開關(guān)的位置處，光電開關(guān)發(fā)出信號至控制機，傳送帶停止工作；2-2.擋板向下旋轉(zhuǎn)擋在兩排苗中間，使得正視相機的視場中只有一排苗，正視相機采集第一排苗的圖像并傳送給控制機，控制機根據(jù)正視算法計算得到每株苗的苗徑橢圓的長短軸參數(shù)，并根據(jù)獲得的參數(shù)完成配對組合，指導(dǎo)機械手有效地抓取相應(yīng)的苗株進行嫁接；3.機械手將當前一排苗抓取完備后，擋板向上旋轉(zhuǎn)離開穴盤，控制機的電機控制程序控制傳送帶的驅(qū)動電機工作，使得傳送帶上的穴盤前進，當穴盤底部再次擋住光電開關(guān)的光線時，驅(qū)動電機停止工作，穴盤正好進給一個穴盤孔的長度，再重復(fù)步驟2-2對下一排嫁接苗進行測量；4.重復(fù)步驟3直到將整盤苗拍攝、測量、抓取完成。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明提供的測量方法以及系統(tǒng)為非接觸式測量，有效避免接觸式測量對幼苗的損傷，對嫁接苗的外部特征信息的獲取準確度高，適用性廣，適用于瓜科和葫蘆科的多種作物；能高效率地為全自動嫁接設(shè)備提供有效參數(shù)信息，同時適用于嫁接苗的自動配對，提高嫁接成活率。此外，本系統(tǒng)不僅適用于嫁接前苗徑信息的測量，也是用與前后苗的生長的觀察測量；不僅適用于瓜科葫蘆科，同時適用于所有雙子葉幼苗的測量。


圖I是本發(fā)明中測量系統(tǒng)的立體結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是圖I中穴盤的立體結(jié)構(gòu)放大圖。圖3是苗徑橢圓的放大示意圖。 圖4是本發(fā)明中整體測量方法的流程圖。圖5是本發(fā)明中俯視算法的流程圖。圖6是本發(fā)明中正視算法的流程圖。
具體實施例方式以下結(jié)合說明書附圖，對本發(fā)明作進一步說明，但本發(fā)明并不局限于以下實施例。一種基于機器視覺的嫁接苗外部特征測量系統(tǒng)，其特征在于所述測量系統(tǒng)包括控制機(為使圖面整潔，省略不畫)、穴盤傳送裝置、運動控制裝置以及圖像采集裝置，所述穴盤傳送裝置包括水平安裝在機架I底部的傳送帶6，以及固定在傳送帶兩側(cè)機架上的兩塊導(dǎo)向板10 ;所述運動控制裝置包括設(shè)置在所述導(dǎo)向板上的用于檢測穴盤7位置的光電開關(guān)5 (即光電傳感器，發(fā)射器和接收器可以分別布置在兩導(dǎo)向板上，常規(guī)結(jié)構(gòu))；所述圖像采集裝置包括設(shè)置在所述傳送帶上方的俯視相機2、位于傳送帶運動方向的前方的正視相機4 (圖I的右側(cè)方向為前方)，以及用于阻擋待測嫁接苗后方其它嫁接苗的可轉(zhuǎn)動的擋板9，所述擋板由擋板驅(qū)動電機8驅(qū)動，擋板的轉(zhuǎn)動軸線與傳送帶的運動方向平行；所述正視相機、俯視相機、光電開關(guān)、擋板驅(qū)動電機以及傳送帶的驅(qū)動電機(省略不畫)均與所述控制機連接。所述俯視相機的鏡頭對著傳送帶布置(即俯視相機的鏡頭朝下布置)，俯視相機的軸線與傳送帶的運動方向垂直。所述正視相機的鏡頭對著傳送帶布置，正視相機的軸線與傳送帶的運動方向平行。穴盤中的幼苗一般成行成列布置，因此穴盤底部會有若干排突起7-1，可以阻擋所述光電開關(guān)的信號從而實現(xiàn)位置檢測，常規(guī)結(jié)構(gòu)，不作詳細介紹。另外，為了防止所述擋板旋轉(zhuǎn)過量，所述機架的上部設(shè)有對所述擋板限位的擋桿3，常規(guī)結(jié)構(gòu)。本發(fā)明還提出了基于機器視覺的嫁接苗外部特征測量方法，包括以下步驟A.俯視相機從俯視方向一次采集整盤苗判斷圖像；B.根據(jù)俯視算法處理獲得的圖像，計算采集到的上述整盤嫁接苗圖像中所有嫁接苗的子葉參數(shù)信息，包括子葉方向角β、子葉長短軸、子葉面積和生長點的參數(shù)，并將參數(shù)信息傳送給控制機；C.正視方向采集一排嫁接苗的圖像，利用正視算法計算該排嫁接苗中每棵嫁接苗的株高和苗徑橢圓的長短軸的參數(shù)信息；并將參數(shù)信息傳送給控制機以方便其完成配對組合，指導(dǎo)機械手有效地抓取相應(yīng)的苗株進行嫁接；具體是穴盤首次到達光電開關(guān)的位置處停下來，擋板向下旋轉(zhuǎn)擋在兩排苗中間，使得正視相機的視場中只有一排苗，正視相機采集第一排苗的圖像并傳送給控制機，控制機依據(jù)苗徑的橢圓率的經(jīng)驗值P (即苗徑橢圓長短軸的比例，統(tǒng)計得到)計算得到每株苗苗徑橢圓的長短軸，方便其完成配對組合，并指導(dǎo)機械手有效地抓取相應(yīng)的苗株進行嫁接；
D.正視方向依次采集各排嫁接苗的圖像，重復(fù)步驟C直至所有嫁接苗測量完畢；具體是機械手將當前一排苗抓取完備后，擋板向上旋轉(zhuǎn)離開穴盤，控制機的電機控制程序控制傳送帶的驅(qū)動電機工作(可以采用運動控制卡)，使得傳送帶上的穴盤前進；當穴盤底部再次擋住光電開關(guān)的光線時，驅(qū)動電機停止工作，穴盤正好進給一個穴盤孔的長度；再重復(fù)步驟C對下一排嫁接苗進行測量，直到將整盤苗測量并抓取完成。上述基于機器視覺的嫁接苗外部特征測量方法，流程圖如圖4所示，包括以下流 程(1)獲取俯視圖像一⑵俯視算法一⑶計算子葉方向角β —⑷獲取正視圖像一(5)正視算法一(6)計算嫁接苗的正視直徑D—(7)導(dǎo)入苗徑橢圓率P —(8)計算苗徑橢圓長短軸一(9)傳遞數(shù)據(jù)。上述俯視算法為現(xiàn)有常規(guī)算法，流程圖如圖5所示，包括以下步驟⑴圖像獲取—⑵高斯濾波一⑶Otsu 二值化一⑷形態(tài)學濾波一(5)區(qū)域化+過濾較小區(qū)域一(6)輪廓提取—⑴拐點提取一(8)拐點配對一(9)弧段配對一(10)擬合橢圓一(11)驗證橢圓一(12)重新組合錯誤配對弧段，重復(fù)步驟(1Φ擬合橢圓一(13)重復(fù)步驟(11)、(12)直到?jīng)]有剩余的輪廓段一(M)子葉組合—(15)橢圓長軸提取一(16)計算子葉方向角β —(17)生長點(生長點位于芽軸的頂端)提取一(18)傳遞數(shù)據(jù)至控制機。上述正視算法為現(xiàn)有常規(guī)算法，流程圖如圖6所示，包括以下步驟⑴圖像獲取—⑵高斯濾波一⑶Otsu 二值化一⑷形態(tài)學濾波一(5)區(qū)域化+過濾較小區(qū)域一(6)輪廓提取―⑴相機標定一(8)獲取像素株高一(9)轉(zhuǎn)化為真實株高一(10)得到抓取點位置一(11)獲取像素正視直徑一(12)轉(zhuǎn)化為真實正視直徑一(13)導(dǎo)入子葉方向角β和苗徑橢圓率P —(M)計算苗徑橢圓的長短軸一(15)傳遞數(shù)據(jù)至控制機。苗徑橢圓長短軸的計算方法(常規(guī)方法):如圖3為橢圓苗徑橫切面示意圖，其中已知橢圓的長軸與短軸的比值P，即P=a/b ;橢圓短軸與光軸垂線的夾角β，橢圓長軸與光軸垂線的夾角α，且α+β = /2，橢圓在相機上的映射弦長L ;分別以橢圓的長短軸為Χ，Υ軸建立笛卡爾坐標系，A' A=2a為橢圓長軸；B' B=2b為橢圓長軸；τ' ,T為平行于相機光軸的光線與橢圓的切點；Ρ' ,P為過坐標系原點向兩條切線做的公垂線的垂點P P = L;
, p/.yjtan / + !
a = ph= Λ..............................................二...........................................
2J/r tanJ/i + l貝叫,----
. !,Jtans β + I
b = -「======「
2如1 tan2 β + I上述控制機可以直接采用普通計算機，上述俯視算法、正視算法均為現(xiàn)有常規(guī)圖像處理算法，可以通過計算機軟件來實現(xiàn)，軟件由普通程序員編寫。上述正視相機、俯視相機、傳送帶以及電機均可外購獲得。
權(quán)利要求
1.基于機器視覺的嫁接苗外部特征測量方法，包括以下步驟 A.俯視方向采集整盤嫁接苗的圖像； B.利用圖像處理算法，計算采集到的上述整盤嫁接苗圖像中所有嫁接苗的子葉參數(shù)信息，包括子葉方向角、子葉長短軸、子葉面積和生長點的參數(shù)，并將參數(shù)信息傳送給控制機； C.正視方向采集一排嫁接苗的圖像；利用圖像處理算法計算該排嫁接苗中每棵嫁接苗的株高和苗徑橢圓的長短軸的參數(shù)信息；并將參數(shù)信息傳送給控制機以方便其完成配對組合，指導(dǎo)機械手有效地抓取相應(yīng)的苗株進行嫁接； D.正視方向依次采集各排嫁接苗的圖像，重復(fù)步驟C直至所有嫁接苗測量完畢。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于機器視覺的嫁接苗外部特征測量方法，其特征在于，所述俯視算法包括以下步驟 ⑴圖像獲取一⑵高斯濾波一⑶Otsu 二值化一⑷形態(tài)學濾波一(5)區(qū)域化+過濾較小區(qū)域一(6)輪廓提取一(7)拐點提取一(8)拐點配對一(9)弧段配對一(10)擬合橢圓一(11)驗證橢圓— (12)重新組合錯誤配對弧段，重復(fù)步驟(1Φ擬合橢圓一(13)重復(fù)步驟(11)、(12)直到?jīng)]有剩余的輪廓段一(M)子葉組合一(15)橢圓長軸提取一(16)計算子葉方向角β —(17)生長點提取一側(cè)傳遞數(shù)據(jù)至控制機。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的基于機器視覺的嫁接苗外部特征測量方法，其特征在于，所述正視算法包括以下步驟 ⑴圖像獲取一⑵高斯濾波一⑶Otsu 二值化一⑷形態(tài)學濾波一(5)區(qū)域化+過濾較小區(qū)域一(6)輪廓提取一(7)相機標定一(8)獲取像素株高一(9)轉(zhuǎn)化為真實株高一(10)得到抓取點位置一(11)獲取像素正視直徑一(12)轉(zhuǎn)化為真實正視直徑一(13)導(dǎo)入子葉方向角β和苗徑橢圓率P —(M)計算苗徑橢圓的長短軸一(15)傳遞數(shù)據(jù)至控制機。
4.一種基于機器視覺的嫁接苗外部特征測量系統(tǒng)，其特征在于所述測量系統(tǒng)包括控制機、穴盤傳送裝置、運動控制裝置以及圖像采集裝置，所述穴盤傳送裝置包括水平安裝在機架(I)底部的傳送帶(6)，以及固定在傳送帶兩側(cè)機架上的兩塊導(dǎo)向板(10);所述運動控制裝置包括設(shè)置在所述導(dǎo)向板上的用于檢測穴盤(7)位置的光電開關(guān)(5);所述圖像采集裝置包括設(shè)置在所述傳送帶上方的俯視相機(2)、位于傳送帶運動方向的前方的正視相機(4)，以及用于阻擋待測嫁接苗后方其它嫁接苗的可轉(zhuǎn)動的擋板(9)，所述擋板由擋板驅(qū)動電機(8)驅(qū)動，擋板的轉(zhuǎn)動軸線與傳送帶的運動方向平行；所述正視相機、俯視相機、光電開關(guān)、擋板驅(qū)動電機以及傳送帶的驅(qū)動電機均與所述控制機連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于機器視覺的嫁接苗外部特征測量系統(tǒng)，其特征在于所述俯視相機的鏡頭對著傳送帶布置，俯視相機的軸線與傳送帶的運動方向垂直。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的一種基于機器視覺的嫁接苗外部特征測量系統(tǒng)，其特征在于所述正視相機的鏡頭對著傳送帶布置，正視相機的軸線與傳送帶的運動方向平行。
全文摘要
本發(fā)明涉及基于機器視覺的嫁接苗外部特征測量方法及系統(tǒng)。目的是提供的測量方法在不接觸幼苗的前提下能測量出幼苗的外部特征參數(shù)；提供的測量系統(tǒng)應(yīng)能準確地測量出幼苗的外部特征參數(shù)。技術(shù)方案是基于機器視覺的嫁接苗外部特征測量方法，包括以下步驟A.俯視方向采集整盤嫁接苗的圖像；B.利用圖像處理算法，計算采集到的上述整盤嫁接苗圖像中所有嫁接苗的子葉參數(shù)信息，并將參數(shù)信息傳送給控制機；C.正視方向采集一排嫁接苗的圖像，利用圖像處理算法計算該排嫁接苗中每棵嫁接苗的株高和苗徑橢圓的長短軸的參數(shù)信息；并將參數(shù)信息傳送給控制機；D．正視方向依次采集各排嫁接苗的圖像，重復(fù)步驟C直至所有嫁接苗測量完畢。
文檔編號G01B11/08GK102954762SQ20121041763
公開日2013年3月6日 申請日期2012年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月26日
發(fā)明者蔡麗苑, 賀磊盈, 楊蒙愛, 武傳宇, 王哲祿 申請人:浙江理工大學