基于光度立体视觉的蔬菜秧苗叶片形态测量方法

作者:冯青春;陈建;李翠玲;范鹏飞;王秀; 刊名:农业机械学报 上传者:刘廷强

【摘要】为了实现蔬菜秧苗长势智能化在线评估,设计了基于光度立体视觉的蔬菜秧苗叶片曲面形态测量方法和装置,用于对叶片倾角、长度和面积进行精确测量。以15~30 d苗龄辣椒秧苗为测量对象,构建了针对其冠层叶片形态测量的试验装置。根据4组光源在标定球表面成像的反射关系组合方程,标定其对秧苗叶片的照射向量;以D65白色标准板为参考,采用图像RGB分量线性矫正的方法,对不同方位光源辐射强度差异进行补偿,克服光源强度波动对叶片图像明暗信息的影响。根据叶片在不同方位光源照射下图像的明暗特征,基于光度立体视觉获取主叶脉区域离散梯度信息,在此基础上采用最小二乘方法拟合叶片空间平面,以恢复叶片空间倾斜信息,进一步结合叶片图像尺寸测算其实际长度和面积。试验结果表明,视觉系统对秧苗倾角、叶片长度和面积的测量结果与人工测量结果相比平均偏差分别为6.29°、3.82 mm、56.53 mm2,叶片长度和面积与人工测量结果的决定系数R2分别为0.936 3、0.866 4,且对于叶片伸展充分、无遮挡的幼龄秧苗测量精度较高,可为进一步开发温室苗床秧苗长势在线监测设备提供重要技术支撑。

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0引言植物叶片形态是其自身生理状况的客观反映[1]。通过叶片长度、面积和倾角等形态特征评估,精确调控光、肥、水、温等植物生长环境因素[2],是实现农作物精细化高效生产的重要途径。特别是在蔬菜秧苗培育阶段,幼苗生长密集、抗逆性差,需要定期观察叶片外观特征了解秧苗生长状况,以实施相应的农艺管理。我国是蔬菜产销大国,蔬菜秧苗年需求量约6 800亿株[3],由人工对苗床秧苗生长状况进行判别和管理耗时费力,因此探索研究秧苗叶片形态智能化在线监测技术,对于促进蔬菜种苗高效精细化生产管理具有重要意义。机器视觉是应用于植物形态非接触在线监测的主要技术手段。目前针对植物叶片形态视觉测量方法研究主要分为被动探测和主动探测。其中被动探测主要针对二维图像信息,研究分析叶片色彩[4-6]、轮廓提取[7-11]以及重叠叶片分割[12-13]等,但无法恢复叶片空间曲面信息;主动探测通过集成激光[14]和结构光[15]等辅助测量部件,与图像信息进行融合以恢复叶片立体信息,测量误差小,但是成本偏高。由于秧苗叶片呈空间簇生聚集、弯曲倾斜生长,因此融合多元视觉信息以恢复叶片空间形态信息,是提高秧苗形态视觉测量准确性和实用性的有效措施。目前基于图像信息获取植物叶片空间形态的相关研究[14-17],主要以单叶片为测量对象,测量装置复杂、数据冗余量大、实时性差,不易满足苗床秧苗在线测量需要。本文以辣椒苗为研究对象,从苗床秧苗叶片形态在线自动测量实际需求着手,采用光度立体视觉测量技术手段,通过解析多角度光源照射下的秧苗叶片图像明暗特征,探测叶片空间曲面梯度信息,研究融合立体信息的秧苗叶片长度和面积测量方法,以期为秧苗长势在线监测智能设备的研发提供技术保障。1测量方法与系统1.1试验装置构成图1所示为试验装置,4组1.5W白色面阵(20 mm×20 mm)LED光源均布于500 mm×500 mm×500 mm规格的密封灯箱内。Pointgray FL3-U3-13S2C型彩色摄像机搭配5 mm焦距镜头,安装于灯箱顶部中心位置。光源对称布置于摄像机四周,光源中心射线汇聚于摄像机视场正下方,待测秧苗放置于摄像机正下方。为了提高秧苗叶片识别效率,灯箱底部安装黑色背景板。以辣椒苗为试验对象,其叶片外接圆柱的直径约60 mm,距灯箱底部100~150 mm。图1测量系统示意图Fig.1 Sketch of measurement system1.摄像机2.灯箱3~6.光源7.秧苗8.背景板图2秧苗叶片图像Fig.2 Seedling leaves image1.逆光朝向叶片2.背光朝向叶片1.2光度立体测量原理空间位置确定的光源均匀照射于物体表面,物体不同区域反射强度(即对应的图像亮度)受其表面朝向特征约束。如图2所示,为单光源照射下秧苗叶片图像。本文试验系统中光源对秧苗叶片区域的照射立体角δ约10°,在该有限空间内忽略光源照射特性变异,近似认为其在秧苗叶片空间区域内为平行光照射,且照射强度相同,则秧苗叶片反射强度符合约束关系[18-19]Q=Epps+qqs+1p2s+q2s槡+1(1)式中Q——场景反射强度E——光源照射强度ps、qs——光源照射方向向量x、y轴分量p、q——叶片表面观测法向量x、y轴分量若已知多组光源照射下的叶片图像明暗信息,则可以测算表征叶片空间朝向的表面法向量。设叶片表面空间点P对应摄像机坐标系下P(x,y,z(x,y)),该点x、y方向切向量分别为tx=Px=(1,0,zx)ty=Py=(0,1,zy{)(2)其中zx、zy分别为叶片表面曲面方程z=z(x,y)对x

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