立體視覺的植株生長狀態(tài)范文

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《現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備雜志》2014年第三期

1雙目監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

為了能在長時(shí)間連續(xù)實(shí)現(xiàn)對多株植株的形態(tài)參數(shù)無損測量及分析，本文構(gòu)建了一套多點(diǎn)自動旋轉(zhuǎn)式雙目視覺監(jiān)測系統(tǒng)，如圖2所示。雙目相機(jī)安裝在一旋轉(zhuǎn)云臺上，旋轉(zhuǎn)云臺可在210°內(nèi)每隔一定間隔定角度自動旋轉(zhuǎn)；該旋轉(zhuǎn)云臺被安裝在水平直線導(dǎo)軌上，直線導(dǎo)軌在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動下每隔一定時(shí)間可以每隔一定距離自動取像、測量、分析，實(shí)現(xiàn)對對株植株個(gè)體生長參數(shù)的監(jiān)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(jì)算機(jī)通過串口與PLC進(jìn)行通信。該測量平臺可測量前后兩排多株植株。

2雙目監(jiān)測系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)

實(shí)現(xiàn)該測量的過程包括了以下幾個(gè)模塊：圖像采集、相機(jī)標(biāo)定、特征提取、立體匹配、三維重構(gòu)。本實(shí)驗(yàn)選擇了維視數(shù)字圖像技術(shù)有限公司提供的分辨率為1024×768的MV-VD078SC/SM型雙攝像機(jī)。標(biāo)定系統(tǒng)利用維視數(shù)字圖像技術(shù)有限公司開發(fā)的CCAS雙目測量測試開發(fā)平臺，基于張正友平板標(biāo)定方法可以輕松實(shí)現(xiàn)雙相機(jī)的標(biāo)定[8]。雙目標(biāo)定時(shí)，首先對雙目系統(tǒng)中的每一個(gè)相機(jī)進(jìn)行單相機(jī)標(biāo)定，確認(rèn)相機(jī)的畸變系數(shù)和內(nèi)參矩陣，從而確定所選每個(gè)相機(jī)的內(nèi)部參數(shù)。得到單相機(jī)的參數(shù)后，再用所構(gòu)建的雙目測試系統(tǒng)的雙相機(jī)從不同的角度去拍攝該標(biāo)定板，角度不同對同一標(biāo)定板獲取不同的2張圖像，分別計(jì)算2張圖像的相應(yīng)像素坐標(biāo)再和實(shí)際標(biāo)定板的坐標(biāo)匹配就可以得到當(dāng)前雙相機(jī)的位置參數(shù)。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(diǎn)的距離。因此本研究的雙相機(jī)采用了基線B=270mm相機(jī)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(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

3雙目監(jiān)測平臺的精度實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)通過自制校驗(yàn)標(biāo)靶（圖3）進(jìn)行，標(biāo)靶上分布5個(gè)距離不同的紅色特征點(diǎn)，采用VC++編寫了雙目測試平臺精度校驗(yàn)的軟件系統(tǒng)，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(jì)算。利用該雙目測試系統(tǒng)，如圖5所示，兩臺相機(jī)同時(shí)從不同角度、不同位置獲取46張標(biāo)靶圖像，對標(biāo)靶圖像上的不同特征點(diǎn)進(jìn)行了識別，并對圖像上的每個(gè)特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)進(jìn)行重構(gòu)、計(jì)算及分析。通過三維坐標(biāo)計(jì)算特征點(diǎn)之間距離及并與標(biāo)靶上特征點(diǎn)的實(shí)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(jìn)行校驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。如表1所示，通過對比46組平臺精度校驗(yàn)所輸出的測量誤差數(shù)據(jù)可見，當(dāng)雙目測量系統(tǒng)的基線為270mm、相機(jī)光軸與基線的夾角為琢l=琢r=80°時(shí)，該雙目測量系統(tǒng)的測量精度達(dá)到99.62%，標(biāo)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(jié)果看，產(chǎn)生誤差的可能原因是標(biāo)定板的選擇，標(biāo)定板的精度對系統(tǒng)測量誤差具有一定的影響，標(biāo)定板的精度越高，系統(tǒng)的測量誤差就越小，而且標(biāo)定板的大小也會影響測量誤差，一般標(biāo)定板的大小應(yīng)為測量范圍的1/3左右。

4結(jié)論

本文針對植株生長參數(shù)的測量構(gòu)建了一套多點(diǎn)自動旋轉(zhuǎn)式無損雙目視覺監(jiān)測系統(tǒng)，并對該系統(tǒng)的測量誤差進(jìn)行了試驗(yàn)分析。這套系統(tǒng)可以對多株植物的株高實(shí)現(xiàn)無損快速測量，測量的精度可達(dá)99.62%，測量誤差主要來自與標(biāo)定系統(tǒng)的誤差。該系統(tǒng)可以節(jié)省植物生長過程中植株參數(shù)測量的勞動力，使人們從單調(diào)、重復(fù)和高強(qiáng)度的監(jiān)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(jiān)測的準(zhǔn)確性和連續(xù)性，真正實(shí)現(xiàn)了植物生長的無損監(jiān)測。

作者：尹世和梁玉韋鴻鈺楊煜馬稚昱單位：仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所