CN104019761B - 一种基于玉米植株三维形态获取装置的玉米植株三维形态获取方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种玉米植株三维形态获取装置和方法，该装置包括：支撑框架，用于支撑固定整个装置；植株夹持器，用于固定玉米植株；图像获取模块，用于在运动模块的控制下获取所述玉米植株的红外图像和彩色图像，并发送到处理模块；运动模块，用于控制所述图像获取模块在XY面内移动固定距离后，令所述图像获取模块停止运动并采集玉米植株的图像数据；处理模块，用于从所述玉米植株的红外图像上获得Z方向深度数据，结合运动模块的运动，从所述玉米植株的红外图像上获得XY方向的数据，并将所述玉米植株的彩色图像经过透视投影变换后与红外图像融合，以获得对应位置的彩色纹理。本发明能够自动化获取玉米植株三维形态数据。

Description

一种基于玉米植株三维形态获取装置的玉米植株三维形态获取方法
技术领域
本发明涉及计算机技术领域，具体涉及一种玉米植株三维形态获取装置和方法。
背景技术
玉米是我国种植的主要农作物之一，玉米植株的形态对产量有重要影响，对植株形态的塑造是玉米育种上一个重要方向。因此能够获得玉米植株的三维造型，将为评价玉米植株形态提供关键数据。目前获取玉米植株三维形态主要依靠各种三维扫描仪，例如，接触式三维坐标测量机、三维激光扫描仪、立体视觉三维扫描仪。现有的三维扫描仪并不是针对玉米植株设计的，最大的不足是对于一株玉米需要多次扫描拼接后才能获得整个植株的三维形态数据，多次扫描增加了工作量，增加了误差的引入概率。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种玉米植株三维形态获取装置和方法，能够自动化获取玉米植株三维形态数据。
为实现上述目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
一种玉米植株三维形态获取装置，该装置包括：
支撑框架，用于支撑固定整个装置；
植株夹持器，用于固定玉米植株；
图像获取模块，由时序开关、红外激光投射器、红外相机和彩色相机组成，用于在运动模块的控制下获取所述玉米植株的红外图像和彩色图像，并发送到处理模块，其中，红外激光投射器，用于向玉米植株发射线形激光光斑；红外相机，用于在红外激光投射器向玉米植株发射线形激光光斑之后，拍摄玉米植株的激光光斑图像；彩色相机， 用于在红外相机拍摄完玉米植株的激光光斑图像后且在红外激光投射器关闭的情况下，拍摄玉米植株的彩色图像；时序开关，用于控制红外激光投射器、红外相机和彩色相机的工作顺序；
运动模块，用于控制所述图像获取模块在XY面内移动固定距离后，令所述图像获取模块停止运动并采集玉米植株的图像数据，采集完毕后，运动模块控制所述图像获取模块继续在XY面内移动固定距离后停止运动并采集玉米植株的图像信息，直至走过整个测量路径；
处理模块，用于从所述玉米植株的红外图像上获得Z方向深度数据，结合运动模块的运动，从所述玉米植株的红外图像上获得XY方向的数据，并将所述玉米植株的彩色图像经过透视投影变换后与红外图像融合，以获得对应位置的彩色纹理。
其中，所述固定距离为0.01cm。
其中，所述运动模块包括步进电机和丝杠，步进电机上安装有运动控制卡，经过分频处理后每个脉冲步进电机转过1.8°，丝杠的螺距为0.5cm，一个脉冲信号使所述图像获取模块运动0.0025cm。
其中，所述支撑框架的高度应保证不同生育时期的玉米植株都能被完整扫描。
其中，所述植株夹持器用于从根部固定玉米。
其中，所述运动模块还包括光轴，用于固定图像获取模块在两根光轴组成的XY平面内运动。
一种基于玉米植株三维形态获取装置的玉米植株三维形态获取方法，该方法包括：
S1.将玉米植株固定在所述植株夹持器上；
S2.所述运动模块控制所述图像获取模块在XY面内移动，当移动固定距离后，运动模块令所述图像获取模块停止运动并采集玉米植株的图像数据；
S3.图像获取模块中的时序开关发出脉冲信号，红外激光投射器工作，时序开关控制红外相机拍摄图像，拍摄图像后关闭红外激光投射 器，时序开关控制彩色相机拍摄彩色图像，并将采集的红外图像和彩色图像发送到处理模块；
S4.判断图像获取模块继续在XY面内是否走过整个测量路径，若是，则执行步骤S5，否则执行步骤S2；
S5.处理模块从所述玉米植株的红外图像上获得Z方向深度数据，结合运动模块的运动，从所述玉米植株的红外图像上获得XY方向的数据，并将所述玉米植株的彩色图像经过透视投影变换后与红外图像融合，以获得对应位置的彩色纹理。
其中，所述固定距离为0.01cm。
本发明至少具有如下的有益效果：
本发明所述的玉米植株三维形态获取装置和方法，能够自动化获取玉米植株三维形态数据，降低了传统玉米植株三维扫描工作的操作复杂度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一个实施例中玉米植株三维形态获取装置的结构示意图；
图2是本发明一个实施例中玉米植株三维形态获取装置的结构组成图；
图3是本发明一个实施例中玉米植株三维形态获取方法的流程图；
附图2中，1：支撑架；2：光轴；3：步进电机；4：彩色相机；5：时序开关；6：红外激光投射器；7：红外相机；8：丝杠；9：夹持器。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图1，本发明实施例提出了一种玉米植株三维形态获取装置，包括如下：
支撑框架101，用于支撑固定整个装置；
植株夹持器102，用于固定玉米植株；
图像获取模块103，由时序开关、红外激光投射器、红外相机和彩色相机组成，用于在运动模块的控制下获取所述玉米植株的红外图像和彩色图像，并发送到处理模块，其中，红外激光投射器，用于向玉米植株发射线形激光光斑；红外相机，用于在红外激光投射器向玉米植株发射线形激光光斑之后，拍摄玉米植株的激光光斑图像；彩色相机，用于在红外相机拍摄完玉米植株的激光光斑图像后且在红外激光投射器关闭的情况下，拍摄玉米植株的彩色图像；时序开关，用于控制红外激光投射器、红外相机和彩色相机的工作顺序；
运动模块104，用于控制所述图像获取模块在XY面内移动固定距离后，令所述图像获取模块停止运动并采集玉米植株的图像数据，采集完毕后，运动模块控制所述图像获取模块继续在XY面内移动固定距离后停止运动并采集玉米植株的图像信息，直至走过整个测量路径；
处理模块105，用于从所述玉米植株的红外图像上获得Z方向深度数据，结合运动模块的运动，从所述玉米植株的红外图像上获得XY方向的数据，并将所述玉米植株的彩色图像经过透视投影变换后与红外图像融合，以获得对应位置的彩色纹理。
其中，运动模块104中所述固定距离可以为0.01cm。
其中，所述运动模块104包括步进电机和丝杠，步进电机上安装有运动控制卡，经过分频处理后每个脉冲步进电机转过1.8°，丝杠的螺距为0.5cm，一个脉冲信号使所述图像获取模块运动0.0025cm。
其中，所述运动模块104还包括光轴，用于固定图像获取模块103在两根光轴组成的XY平面内运动。
其中，所述支撑框架101的高度应保证不同生育时期的玉米植株都能被完整扫描。
其中，所述植株夹持器102用于从根部固定玉米，使玉米保持自然生长状态。
图像获取模块103中，红外激光投射器和红外相机之间的相对位置事先通过平面模板进行标定，运动模块带动图像获取模块在平面模板XY面内运动，Z分量由红外图像中线形激光的位置计算。彩色相机拍摄的彩色图像经过透视投影变换后能与红外图像融合，透视投影变换关系通过立方体标定物计算。红外相机分辨率1280×1024像素帧速12FPS，彩色相机分辨率1280×1024帧速30FPS。时序开关控制着红外激光投射器、红外相机、彩色相机的工作顺序，当运动到一个拍摄位置时，时序开关首先发出脉冲信号，红外激光投射器工作，随后时序开关控制红外相机拍摄图像，拍摄图像后关闭红外激光投射器，然后打开彩色相机拍摄彩色图像。一个工作流完成后数据被传送到处理模块105，处理模块105从红外图像上获得Z方向深度数据，结合运动模块每个工作流的移动距离获得XY方向数据，从彩色图像上获得对应位置的彩色纹理。
运动模块104中，步进电机上安装有运动控制卡，经过分频处理后每个脉冲步进电机转过1.8°，丝杠的螺距为0.5cm，一个脉冲信号可使图像获取模块运动0.0025cm。步进电机在脉冲信号的驱动下运动，图像获取模块运动过0.01cm后脉冲信号暂停，图像获取模块开始工作采集图像数据，采集完毕后步进电机继续运动直到走过整个测量路径。
参见图2，图2为玉米植株三维形态获取装置的一种结构组成图， 通过该图可以直观地看到该装置的工作原理及工作过程，其中图中1：支撑架；2：光轴；3：步进电机；4：彩色相机；5：时序开关；6：红外激光投射器；7：红外相机；8：丝杠；9：夹持器。
本发明实施例所述的玉米植株三维形态获取装置，能够自动化获取玉米植株三维形态数据，降低了传统玉米植株三维扫描工作的操作复杂度。
参见图3，本发明实施例还提出了一种玉米植株三维形态获取方法，包括如下：
步骤301：将玉米植株固定在所述植株夹持器上。
步骤302：所述运动模块控制所述图像获取模块在XY面内移动，当移动固定距离后，运动模块令所述图像获取模块停止运动并采集玉米植株的图像数据。
在本步骤中，所述固定距离可以为0.01cm。
步骤303：图像获取模块中的时序开关发出脉冲信号，红外激光投射器工作，时序开关控制红外相机拍摄图像，拍摄图像后关闭红外激光投射器，时序开关控制彩色相机拍摄彩色图像，并将采集的红外图像和彩色图像发送到处理模块。
步骤304：判断图像获取模块在XY面内是否走过整个测量路径，若是，则执行步骤305，否则执行步骤302。
步骤305：处理模块从所述玉米植株的红外图像上获得Z方向深度数据，结合运动模块的运动，从所述玉米植株的红外图像上获得XY方向的数据，并将所述玉米植株的彩色图像经过透视投影变换后与红外图像融合，以获得对应位置的彩色纹理。
本发明实施例所述的玉米植株三维形态获取方法，能够自动化获取玉米植株三维形态数据，降低了传统玉米植株三维扫描工作的操作复杂度。
以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员 应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种基于玉米植株三维形态获取装置的玉米植株三维形态获取方法，其特征在于，所述玉米植株三维形态获取装置包括：
支撑框架，用于支撑固定整个装置；
植株夹持器，用于固定玉米植株；
图像获取模块，由时序开关、红外激光投射器、红外相机和彩色相机组成，用于在运动模块的控制下获取所述玉米植株的红外图像和彩色图像，并发送到处理模块，其中，红外激光投射器，用于向玉米植株发射线形激光光斑；红外相机，用于在红外激光投射器向玉米植株发射线形激光光斑之后，拍摄玉米植株的激光光斑图像；彩色相机，用于在红外相机拍摄完玉米植株的激光光斑图像后且在红外激光投射器关闭的情况下，拍摄玉米植株的彩色图像；时序开关，用于控制红外激光投射器、红外相机和彩色相机的工作顺序；
运动模块，用于控制所述图像获取模块在XY面内移动固定距离后，令所述图像获取模块停止运动并采集玉米植株的图像数据，采集完毕后，运动模块控制所述图像获取模块继续在XY面内移动固定距离后停止运动并采集玉米植株的图像信息，直至走过整个测量路径；
处理模块，用于从所述玉米植株的红外图像上获得Z方向深度数据，结合运动模块的运动，从所述玉米植株的红外图像上获得XY方向的数据，并将所述玉米植株的彩色图像经过透视投影变换后与红外图像融合，以获得对应位置的彩色纹理；
所述玉米植株三维形态获取方法包括：
S1.将玉米植株固定在所述植株夹持器上；
S2.所述运动模块控制所述图像获取模块在XY面内移动，当移动固定距离后，运动模块令所述图像获取模块停止运动并采集玉米植株的图像数据；
S3.图像获取模块中的时序开关发出脉冲信号，红外激光投射器工作，时序开关控制红外相机拍摄图像，拍摄图像后关闭红外激光投射器，时序开关控制彩色相机拍摄彩色图像，并将采集的红外图像和彩色图像发送到处理模块；
S4.判断图像获取模块继续在XY面内是否走过整个测量路径，若是，则执行步骤S5，否则执行步骤S2；
S5.处理模块从所述玉米植株的红外图像上获得Z方向深度数据，结合运动模块的运动，从所述玉米植株的红外图像上获得XY方向的数据，并将所述玉米植株的彩色图像经过透视投影变换后与红外图像融合，以获得对应位置的彩色纹理。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述固定距离为0.01cm。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述运动模块包括步进电机和丝杠，步进电机上安装有运动控制卡，经过分频处理后每个脉冲步进电机转过1.8°，丝杠的螺距为0.5cm，一个脉冲信号使所述图像获取模块运动0.0025cm。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述支撑框架的高度应保证不同生育时期的玉米植株都能被完整扫描。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述植株夹持器用于从根部固定玉米。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述运动模块还包括光轴，用于固定图像获取模块在两根光轴组成的XY平面内运动。
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