立体视觉的植株生长状态范文

《现代农业装备杂志》2014年第三期

1双目监测系统的硬件设计

为了能在长时间连续实现对多株植株的形态参数无损测量及分析，本文构建了一套多点自动旋转式双目视觉监测系统，如图2所示。双目相机安装在一旋转云台上，旋转云台可在210°内每隔一定间隔定角度自动旋转；该旋转云台被安装在水平直线导轨上，直线导轨在步进电机驱动下每隔一定时间可以每隔一定距离自动取像、测量、分析，实现对对株植株个体生长参数的监测分析。该测量平台的控制中心采用以PLC作控制器的控制模式，计算机通过串口与PLC进行通信。该测量平台可测量前后两排多株植株。

2双目监测系统的软件系统

实现该测量的过程包括了以下几个模块：图像采集、相机标定、特征提取、立体匹配、三维重构。本实验选择了维视数字图像技术有限公司提供的分辨率为1024×768的MV-VD078SC/SM型双摄像机。标定系统利用维视数字图像技术有限公司开发的CCAS双目测量测试开发平台，基于张正友平板标定方法可以轻松实现双相机的标定[8]。双目标定时，首先对双目系统中的每一个相机进行单相机标定，确认相机的畸变系数和内参矩阵，从而确定所选每个相机的内部参数。得到单相机的参数后，再用所构建的双目测试系统的双相机从不同的角度去拍摄该标定板，角度不同对同一标定板获取不同的2张图像，分别计算2张图像的相应像素坐标再和实际标定板的坐标匹配就可以得到当前双相机的位置参数。不同种类植物的株高定义不同，测量方法也就不同。本研究以直立型大豆植株为研究对象，其株高是指从植株根部露出土壤部分到植株最高点的距离。因此本研究的双相机采用了基线B=270mm相机光轴与基线的夹角琢l=琢r=80°的方式安装。并对测量平台的精度和误差进行了实验验证。

3双目监测平台的精度实验

本实验通过自制校验标靶（图3）进行，标靶上分布5个距离不同的红色特征点，采用VC++编写了双目测试平台精度校验的软件系统，其流程如图4所示，包括了图像获取、特征分割、轮廓提取、去除噪声、立体匹配、三维重建及误差计算。利用该双目测试系统，如图5所示，两台相机同时从不同角度、不同位置获取46张标靶图像，对标靶图像上的不同特征点进行了识别，并对图像上的每个特征点的三维坐标进行重构、计算及分析。通过三维坐标计算特征点之间距离及并与标靶上特征点的实际距离作对比，得到该双目测量平台的测量误差，从而对测量平台本身精度进行校验，实验数据见表1。如表1所示，通过对比46组平台精度校验所输出的测量误差数据可见，当双目测量系统的基线为270mm、相机光轴与基线的夹角为琢l=琢r=80°时，该双目测量系统的测量精度达到99.62%，标靶倾斜角度越小误差较小，适合植株高度的测量需求。从测量结果看，产生误差的可能原因是标定板的选择，标定板的精度对系统测量误差具有一定的影响，标定板的精度越高，系统的测量误差就越小，而且标定板的大小也会影响测量误差，一般标定板的大小应为测量范围的1/3左右。

4结论

本文针对植株生长参数的测量构建了一套多点自动旋转式无损双目视觉监测系统，并对该系统的测量误差进行了试验分析。这套系统可以对多株植物的株高实现无损快速测量，测量的精度可达99.62%，测量误差主要来自与标定系统的误差。该系统可以节省植物生长过程中植株参数测量的劳动力，使人们从单调、重复和高强度的监测工作中解放出来，克服了人类视觉的易疲劳、误差大等局限性，提高了监测的准确性和连续性，真正实现了植物生长的无损监测。

作者：尹世和梁玉韦鸿钰杨煜马稚昱单位：仲恺农业工程学院机电工程学院广东省现代农业装备研究所