专利名称：水稻穗长的自动测量装置及测量方法
技术领域：
本发明涉及农业机械，适用于农业科研人员在水稻考种过程中自动测量并记录水 稻的穗长。
背景技术：
水稻的穗长与产量直接相关，是水稻考种的一项重要指标。穗长的定义是 穗颈节至穗尖(不连芒)的长度。通常情况下，水稻考种中都由人工测量水稻每个稻穗的穗 长。在测量时需要先将稻穗拉直，很容易被穗子或叶子割伤手。并且长时间的测量观察，会 耗费大量的人力物力，而且测量结果很容易受到测量人员的疲劳状况等个人因素的影响， 主观误差较大。目前，国外主要有德国的LemnaTec公司在自动测量穗长方面做了一些工 作，但他们的方法中并未进行穗颈节的识别，因此测得的并非传统意义上的穗长。国内主要 有上海市农业科学院测试中心的胡传祚等人在1992年研制出的作物考种微电脑自动测试仪 (胡传祚等，智能化稻麦考种自动测试仪，农业工程学报，1994，7 (4))。该测试仪采用光栅测长 的方法来测量穗长。位移光栅与光电检测探头采取逻辑“与”的方式，检测到实物后同步进行 计长，其检测精度由光栅的制作精度决定。这种测量方法要求待测的稻穗样品从穗颈节处剪 下才能测量真正意义上的穗长。另外，这种方法检测到的是光栅移动方向上的直线距离，为了 保证测量精度，要求待测样品很直，而很多稻穗存在一定的弯曲，这会引入测量误差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是为水稻工作人员提供一种水稻穗长的自动测量装 置及测量方法，能够快速、准确、自动的测量水稻的穗长。为解决上述技术问题，本发明提供了一种稻穗长度自动测量装置，其特征在于，包 括机架、样品放置板、细节相机、全景相机、前景光源、背景光源、图像采集卡、计算机、电源， 所述样品放置板安装在机架内，用于放置稻穗茎杆，所述细节相机、全景相机分别通过机架 安装在样品放置板上方，细节相机用于拍摄稻穗茎杆部分的细节图像，全景相机用于拍摄 稻穗的全景图像；细节相机、全景相机分别通过图像采集卡与计算机相连，前景照明光源安 装在样品放置板上方，主要用于为所述细节相机提供前景照明；背景光源安装在样品放置 板下方，主要用于为所述全景相机提供背景照明；所述计算机接收所述图像采集卡输入的 图像，并进行图像处理，测量出稻穗长度，所述电源为前景光源、背景光源、计算机供电。作为改进，所述背景光源和样品放置板之间均勻分布安装风扇，用于所述背景光 源的散热。优选的，所述背景光源为LED光源。更优化的，本发明还包括控制单元，所述控制单元与所述计算机通信连接，并连接 所述背景光源，控制背景光源的亮灭。再优化的，本发明还包括控制单元，还包括控制开关，所述控制开关连接所述控制单元。
与本发明的稻穗长度自动测量装置相应的稻穗长度自动测量方法，包括以下步 骤
接通电源，启动计算机，点亮前景光源；将一穗稻穗放置在样品放置板上；启动控制开 关，控制开关通过控制单元向计算机发出开始测量信号，计算机通知控制单元点亮背景光 源，计算机控制细节相机、全景相机对所放置稻穗拍摄穗颈节细节图像和稻穗全景图像，并 通过图像采集卡收集所摄图像；计算机处理图像，计算出穗长结果。在所述计算机处理图像，计算出穗长结果后，计算机发送指令给控制单元，控制单元 熄灭背景光源；背景光源熄灭提醒测量者本次测量完成，可以更换稻穗，进行下一稻穗的测量。所述计算机处理图像，计算出穗长结果的步骤包括以下具体步骤 对稻穗全景图像处理得到稻穗的外轮廓；
对穗颈节细节图像处理识别出穗颈节的位置；
将穗颈节的位置映射回全景图像，得到穗颈节在全景图像中的位置，将该位置作为穗 长计算路径的终点；
从稻穗外轮廓图像穗尖部开始搜索至穗颈节的路径，并计算路径长度，该路径长度即 为穗长。优选的，所述从稻穗外轮廓图像穗尖部开始搜索至穗颈节的路径，并计算路径长 度的步骤包括以下具体步骤
从稻穗外轮廓图像穗尖部开始扫描，首次出现轮廓点的扫描行为穗长起始行； 若该行只有一个轮廓点，则该轮廓点即为起始路径点；若有多个轮廓点，则取最左边轮 廓点与最右边轮廓点之间的中点作为起始路径点；
步骤i、隔k行作一次扫描，k为小于20的整数，找到该扫描行的所有轮廓点， 计算该扫描行所有轮廓点两两之间的中点，
判断该中点为稻穗全景图像的前景点或背景点，若为背景点，则舍弃该点； 计算该行中所有为前景点的中点到上一个路径点的水平方向即横坐标距离，距离最近 的中点作为穗长计算的路径点，
重复步骤i，直到扫描到穗颈节位置停止，
计算所有相邻两个路径点之间的欧式距离之和，即得到被测稻穗的穗长。本发明的优点是利用机器视觉的方法实现了穗颈节的识别，在此基础上自动测 量水稻的穗长，具有使用方便，操作简单，工作效率高，测量精度高等优点。
下面结合附图和具体实施方式
对本发明的技术方案作进一步具体说明。图1为本发明水稻穗长自动测量装置的结构示意图； 图2为稻穗的细节图像；
图3为稻穗的全景图像； 图4为穗长测量操作流程图； 图5为穗长测量程序流程图； 图6为穗长路径搜索及计算流程图； 图7为穗长测量得到的路径点图；图8为穗长测量散点图； 图9为穗长测量相对误差；
具体实施例方式
如图1所示，本发明提供的水稻穗长自动测量装置，包括细节相机1、全景相机2、图像 采集卡3，前景光源4，样品放置板5，风扇6，LED光源7，计算机8，机架9，控制开关10和 控制单元11。其中细节相机1和全景相机2通过图像采集卡7和计算机8相连。细节相机 1、全景相机2及前景照明光源4在样品放置板5的上方，前景光源4采用普通的日光灯，为 成像装置提供均勻的前景照明。在样品放置板的下方安装有背景光源板，背景光源板上均 勻排布有LED光源7，提供均勻的背景照明。采用前景照明和背景照明相结合的方式，前景 照明光源为细节相机提供照明，得到稻穗杆部的细节信息包括颜色，背景照明板则为全景 相机提供照明，便于得到清晰的稻穗轮廓。细节相机采用长焦镜头，用来拍摄水稻稻穗杆部 的细节图，用于穗颈节的准确识别；全景相机采用短焦镜头，用于稻穗全景的拍摄。样品放 置板是一块亚克力漫射板，LED灯发出的光经过压克力板后可得到均勻的背景光照明。样 品放置板的的中间部位有一个U型槽，用于放置稻穗。另外，样品放置板与水平方向成一个 约10°的夹角，使稻穗在重力作用下呈尽量直立的状态，有利于后续图像处理中穗长的计 算。背景光源和亚克力板之间均勻分布有风扇6，用于LED灯的散热。除了计算机、脚踏开 关和图像采集卡外，其它部件都安装在机架9中，目的在于为成像装置提供一个固定的背 景和稳定均勻的光照条件，便于后期的图像处理。控制开关10与控制单元11相连，控制单 元和计算机8相连。控制单元同时还与背景光源相连，控制背景光源的亮灭。在本具体实 施中，控制开关采用脚踏式开关；控制单元采用可编程逻辑控制器PLC。脚踏式开关作为用 户接口，是稻穗放置完毕可以拍摄的信号输入设备。在用户需要测量穗长时，踩下脚踏式开 关启动一次测量过程。本装置的测量方法如图4所示，接通电源，启动计算机并运行穗长测量程序。手持 一穗稻穗，将其放置在样品放置板的U型槽内。当操作者踩下脚踏式开关时，脚踏式开关会 发送一个脉冲信号给控制单元，计算机通过串口查询控制单元的输出信号，接收到控制单 元的输出信号后，计算机发送指令给控制单元，控制单元点亮背景灯，在背景和前景照明均 稳定期间，计算机控制两部相机进行拍摄穗颈节细节图像和稻穗全景图像，并通过图像采 集卡接收图像信息。计算机对图像进行处理分析，计算并输出穗长结果。然后发送指令给 控制单元，控制单元随后熄灭背景灯。背景灯的熄灭同时也是一个提示信号，通知用户可以 开始下一穗的测量。参见图5所示，计算机对图像进行处理分析，涉及一些常见的图像处理算法，包括 固定阈值二值化、中值滤波及各种形态学操作。二值化后的图像中，稻穗部分的前景点被赋 为1，背景点为0。图2显示了二值化后的稻穗样品细节图，图中的缺口即为穗颈节的位置。图3为二值化后的稻穗样品全景黑白图像，原始图像为彩色图像。穗颈节的识别主要利用了穗颈节和稻穗杆部其它部分颜色的差异，从而导致灰度 的差异，在二值图像上形成一个断裂。识别到穗颈节的位置后，将其映射回全景图像，得到 穗颈节在全景图像中的位置，将该位置作为穗长计算路径的终点。图5中所述的映射方法 如下用两个相机同时拍摄标准样品，将两幅图像作为模板，设定相同的世界坐标原点，分别将两幅图像都映射到实际空间，得到全景图像的图像坐标与世界坐标的映射关系表以及 细节图像的图像坐标与世界坐标的映射关系表。由于世界坐标原点相同，可通过世界坐标 这个桥梁得到全景图像坐标与细节图像坐标之间的映射关系。如图6所示，穗长路径点的选取方法如下首先提取稻穗的外轮廓图像，从图像底 部即穗尖部开始搜索，首次出现轮廓点，即白点，的扫描行为穗长起始行。若该行只有一个 轮廓点，则起始路径点即为该点；若有多个轮廓点，则取最左边轮廓点与最右边轮廓点之间 的中点作为起始路径点。从底部开始搜索主要是为了避免由于分叉引起的路径点突变问 题。确定起始路径点后，每隔A行扫描一次，找到当前行的白点，计算白点两两之间的中点， 各个中点计算出来后，先判断其是否是稻穗全景图像的前景点，若为前景点，再计算其到上 一个路径点的水平方向即横坐标的距离，若为背景点，则剔除该点。计算完所有中点到上一 个路径点水平方向即横坐标即的距离后，取与上个路径点距离最近的中点作为穗长计算的 路径点。另外，设定一个水平阈值T,当相邻两个路径点的横坐标的差值，即水平方向距离， 的绝对值超过阈值时，可认为该点为计算错误的路径点，应将该点去掉。这样做可以使得最 后计算的路径较光滑。搜索到穗颈节的位置后即停止，计算全部相邻两个路径点之间的欧 式距离之和，即得到被测稻穗的穗长。穗长测量算法是在搜索穗长路径的基础上计算稻穗的长度，得到的穗长路径能跟 随稻穗的轮廓，因此，不要求稻穗是直的。在水稻稻穗弯曲的情况下同样可以获得高的测量 精度。
实施例实验生物材料成熟的水稻稻穗。手持一穗稻穗，放置到U型槽内后踩下脚踏进行测量，输出结果图像见图7。其中 黑色十字形标注的为穗长测量的路径点。测量结果为175. 5 mm,手动测量结果为178. 3 mm, 测量的相对误差为1.61%。为了评测测量系统的测量误差，共测量了 75穗稻穗。测量结果见图8和图9。其 中，图8为统计散点图，X轴为人工测量结果(mm)，Y轴为系统测量结果(mm)。图9为相对 误差，从图中可以看出，测量的相对误差都在5%以内。最大测量相对误差为4. 94%，测量相 对误差绝对值的平均值为1.49%。另外，为了评估系统测量的一致性，选取10穗稻穗，每个 稻穗测量10次，结果见表1。可以看到，本系统测量值具有很高的一致性。 表1穗长重复测量结果(数据单位均为mm)
序号测量1测量2测量3测量4测量5测量6测量7测量8测量9测量10均值标准差1156. 6156. 3156. 5153. 0154. 2157. 0155. 9153. 6157. 0156. 0155. 61. 472140. 6140. 6138. 8139. 6140. 6140. 0138. 6139. 9138. 6138. 5139. 60. 883205. 9202. 4205. 8212. 6204. 4200. 3203. 4206. 6206. 0205. 2205. 23. 234210. 4214. 1213. 3213. 2212. 3210. 8212. 3208. 4211. 0211. 0211. 71. 715147. 9151. 8144. 7147. 2147. 2150. 6153. 1151. 7148. 9148. 5149. 22. 596137. 1139. 9142. 8142. 1145. 3140. 5142. 6142. 6141. 8145. 9142. 12. 557152. 1150. 5152. 8152. 7149. 2151. 3148. 4152. 2151. 3156. 5151. 72. 238158. 4156. 4156. 5156. 4157. 5156. 3156. 6156. 7156. 2156. 2156. 70. 699196. 5193. 2193. 0185. 5196. 8193. 6195. 7194. 8191. 5186. 8192. 73. 8610133. 7133. 8133. 8133. 3134. 0133. 6133. 7133. 8133. 7135. 5133. 90. 61
本发明的总体特征是利用机器视觉技术和计算机图像处理技术实现水稻穗长的自动测量，具有测量可重复性好、测量精度高、工作效率高的优点。 最后所应说明的是，以上具体实施方式
仅用以说明本发明的技术方案而非限制， 尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对 本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均 应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
权利要求
一种稻穗长度自动测量装置，其特征在于，包括机架、样品放置板、细节相机、全景相机、前景光源、背景光源、图像采集卡、计算机、电源，所述样品放置板安装在机架内，用于放置稻穗茎杆，所述细节相机、全景相机分别通过机架安装在样品放置板上方，细节相机用于拍摄稻穗茎杆部分的细节图像，全景相机用于拍摄稻穗的全景图像；细节相机、全景相机分别通过图像采集卡与计算机相连，前景照明光源安装在样品放置板上方，主要用于为所述细节相机提供前景照明；背景光源安装在样品放置板下方，主要用于为所述全景相机提供背景照明；所述计算机接收所述图像采集卡输入的图像，并进行图像处理，测量出稻穗长度，所述电源为前景光源、背景光源、计算机供电。
2.根据权利要求1所述的稻穗长度自动测量装置，其特征在于，所述背景光源和样品 放置板之间均勻分布安装风扇，用于所述背景光源的散热。
3.根据权利要求2所述的稻穗长度自动测量装置，其特征在于，所述背景光源为LED光源。
4.根据权利要求3所述的稻穗长度自动测量装置，其特征在于还包括控制单元，所述 控制单元与所述计算机通信连接，并连接所述背景光源，控制背景光源的亮灭。
5.根据权利要求4所述的稻穗长度自动测量装置，其特征在于还包括控制开关，所述 控制开关连接所述控制单元。
6.一种稻穗长度自动测量装置的测量方法，其特征在于包括以下步骤接通电源，启动计算机，点亮前景光源；将一穗稻穗放置在样品放置板上；启动控制开 关，控制开关通过控制单元向计算机发出开始测量信号，计算机通知控制单元点亮背景光 源，计算机控制细节相机、全景相机对所放置稻穗拍摄穗颈节细节图像和稻穗全景图像，并 通过图像采集卡收集所摄图像；计算机处理图像，计算出穗长结果。
7.根据权利要求6所述的稻穗长度自动测量装置的测量方法，其特征在于，在所述计 算机处理图像，计算出穗长结果后，计算机发送指令给控制单元，控制单元熄灭背景光源； 背景光源熄灭提醒测量者本次测量完成，可以更换稻穗，进行下一稻穗的测量。
8.根据权利要求6或7所述的稻穗长度自动测量装置的测量方法，其特征在于，所述计 算机处理图像，计算出穗长结果的步骤包括以下具体步骤对稻穗全景图像处理得到稻穗的外轮廓；对穗颈节细节图像处理识别出穗颈节的位置；将穗颈节的位置映射回全景图像，得到穗颈节在全景图像中的位置，将该位置作为穗 长计算路径的终点；从稻穗外轮廓图像穗尖部开始搜索至穗颈节的路径，并计算路径长度，该路径长度即 为穗长。
9.根据权利要求8所述的稻穗长度自动测量装置的测量方法，其特征在于，所述从稻 穗外轮廓图像穗尖部开始搜索至穗颈节的路径，并计算路径长度包括以下步骤从稻穗外轮廓图像穗尖部开始扫描，首次出现轮廓点的扫描行为穗长起始行，若该行只有一个轮廓点，则该轮廓点即为起始路径点；若有多个轮廓点，则取最左边轮 廓点与最右边轮廓点之间的中点作为起始路径点，步骤i、隔k行作一次扫描，k为小于20的整数，找到该扫描行的所有轮廓点，计算该扫描行所有轮廓点两两之间的中点，判断该中点为稻穗全景图像的前景点或背景点，若为背景点，则舍弃该点； 计算该行中所有为前景点的中点到上一个路径点的水平方向即横坐标距离，距离最近 的中点作为穗长计算的路径点，重复步骤i，直到扫描到穗颈节位置停止，计算全部路径点之间的欧式距离和，即得到被测稻穗的穗长。
全文摘要
本发明中介绍的水稻穗长自动测量装置，包括机架、样品放置板、细节相机、全景相机、前景光源、背景光源、图像采集卡、计算机、电源，所述样品放置板安装在机架内，用于放置稻穗茎杆，所述细节相机、全景相机分别通过机架安装在样品放置板上方，细节相机用于拍摄稻穗茎杆部分的细节图像，全景相机用于拍摄稻穗的全景图像；细节相机、全景相机分别通过图像采集卡与计算机相连，所述计算机接收所述图像采集卡输入的图像，并进行图像处理，测量出稻穗长度。本发明利用机器视觉，在图像识别处理的基础上测量水稻的穗长，具有测量精度高，可重复性好，无需工作人员从穗颈节处剪下稻穗等优点。
文档编号G01B11/02GK101929843SQ20101014309
公开日2010年12月29日 申请日期2010年4月9日 优先权日2010年4月9日
发明者刘谦, 杨万能, 段凌凤, 毕昆, 陈尚宾, 骆清铭 申请人:华中科技大学