立體視覺的植株生長狀態范文

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《現代農業裝備雜志》2014年第三期

1雙目監測系統的硬件設計

為了能在長時間連續實現對多株植株的形態參數無損測量及分析，本文構建了一套多點自動旋轉式雙目視覺監測系統，如圖2所示。雙目相機安裝在一旋轉云臺上，旋轉云臺可在210°內每隔一定間隔定角度自動旋轉；該旋轉云臺被安裝在水平直線導軌上，直線導軌在步進電機驅動下每隔一定時間可以每隔一定距離自動取像、測量、分析，實現對對株植株個體生長參數的監測分析。該測量平臺的控制中心采用以PLC作控制器的控制模式，計算機通過串口與PLC進行通信。該測量平臺可測量前后兩排多株植株。

2雙目監測系統的軟件系統

實現該測量的過程包括了以下幾個模塊：圖像采集、相機標定、特征提取、立體匹配、三維重構。本實驗選擇了維視數字圖像技術有限公司提供的分辨率為1024×768的MV-VD078SC/SM型雙攝像機。標定系統利用維視數字圖像技術有限公司開發的CCAS雙目測量測試開發平臺，基于張正友平板標定方法可以輕松實現雙相機的標定[8]。雙目標定時，首先對雙目系統中的每一個相機進行單相機標定，確認相機的畸變系數和內參矩陣，從而確定所選每個相機的內部參數。得到單相機的參數后，再用所構建的雙目測試系統的雙相機從不同的角度去拍攝該標定板，角度不同對同一標定板獲取不同的2張圖像，分別計算2張圖像的相應像素坐標再和實際標定板的坐標匹配就可以得到當前雙相機的位置參數。不同種類植物的株高定義不同，測量方法也就不同。本研究以直立型大豆植株為研究對象，其株高是指從植株根部露出土壤部分到植株最高點的距離。因此本研究的雙相機采用了基線B=270mm相機光軸與基線的夾角琢l=琢r=80°的方式安裝。并對測量平臺的精度和誤差進行了實驗驗證。

3雙目監測平臺的精度實驗

本實驗通過自制校驗標靶（圖3）進行，標靶上分布5個距離不同的紅色特征點，采用VC++編寫了雙目測試平臺精度校驗的軟件系統，其流程如圖4所示，包括了圖像獲取、特征分割、輪廓提取、去除噪聲、立體匹配、三維重建及誤差計算。利用該雙目測試系統，如圖5所示，兩臺相機同時從不同角度、不同位置獲取46張標靶圖像，對標靶圖像上的不同特征點進行了識別，并對圖像上的每個特征點的三維坐標進行重構、計算及分析。通過三維坐標計算特征點之間距離及并與標靶上特征點的實際距離作對比，得到該雙目測量平臺的測量誤差，從而對測量平臺本身精度進行校驗，實驗數據見表1。如表1所示，通過對比46組平臺精度校驗所輸出的測量誤差數據可見，當雙目測量系統的基線為270mm、相機光軸與基線的夾角為琢l=琢r=80°時，該雙目測量系統的測量精度達到99.62%，標靶傾斜角度越小誤差較小，適合植株高度的測量需求。從測量結果看，產生誤差的可能原因是標定板的選擇，標定板的精度對系統測量誤差具有一定的影響，標定板的精度越高，系統的測量誤差就越小，而且標定板的大小也會影響測量誤差，一般標定板的大小應為測量范圍的1/3左右。

4結論

本文針對植株生長參數的測量構建了一套多點自動旋轉式無損雙目視覺監測系統，并對該系統的測量誤差進行了試驗分析。這套系統可以對多株植物的株高實現無損快速測量，測量的精度可達99.62%，測量誤差主要來自與標定系統的誤差。該系統可以節省植物生長過程中植株參數測量的勞動力，使人們從單調、重復和高強度的監測工作中解放出來，克服了人類視覺的易疲勞、誤差大等局限性，提高了監測的準確性和連續性，真正實現了植物生長的無損監測。

作者：尹世和梁玉韋鴻鈺楊煜馬稚昱單位：仲愷農業工程學院機電工程學院廣東省現代農業裝備研究所