基于機(jī)器視覺的植物水勢(shì)測(cè)量裝置設(shè)計(jì)

楊俊杰,左志宇,毛罕平,張曉東,徐 超,王天宇,繆 鵬

(江蘇大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

0 引言

水勢(shì)是植物細(xì)胞和組織的重要水分生理參數(shù)。植物水勢(shì)的大小對(duì)植物的生長(zhǎng)影響重大,常被作為合理灌溉的重要生理指標(biāo)之一[1-3]。

目前,國(guó)內(nèi)外植物水勢(shì)的測(cè)量方法主要有小液流法、壓力室法和露點(diǎn)法：小液流法操作繁瑣,結(jié)果不夠精確;露點(diǎn)法每次測(cè)量前需靜置較長(zhǎng)時(shí)間,效率較低;壓力室法因其簡(jiǎn)便易行,測(cè)量迅速而被廣泛使用[4-5]。

壓力室法判斷水勢(shì)測(cè)量終點(diǎn)需要操作者對(duì)待測(cè)樣本截面滲液狀況進(jìn)行觀察,以確定水勢(shì)測(cè)量終點(diǎn)。由于觀察者對(duì)出現(xiàn)滲液的判斷標(biāo)準(zhǔn)不同,容易造成較大測(cè)量誤差[6-9]。為了解決這個(gè)問題,有學(xué)者提出了采用探針、電極等接觸待測(cè)樣本截面滲液進(jìn)行水勢(shì)終點(diǎn)判斷的方法,但均需要待測(cè)樣本整個(gè)截面充滿滲液才能進(jìn)行判斷,且具有一定延遲性,測(cè)量不夠精確[10-11]。

本文利用待測(cè)樣本截面出現(xiàn)滲液時(shí)光線發(fā)生折射、截面圖像的灰度值出現(xiàn)變化的現(xiàn)象,提出了一種基于機(jī)器視覺的植物水勢(shì)測(cè)量方法,并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的檢測(cè)裝置。利用機(jī)器視覺代替人眼進(jìn)行觀察,通過待測(cè)樣本截面圖像的灰度值變化量來判斷水勢(shì)測(cè)量終點(diǎn),實(shí)現(xiàn)水勢(shì)測(cè)量終點(diǎn)的準(zhǔn)確判斷。

1 整體結(jié)構(gòu)

基于機(jī)器視覺的植物水勢(shì)測(cè)量裝置由檢測(cè)臺(tái)、控制箱、壓力傳感器、壓力室、待測(cè)樣本、環(huán)形光源、可調(diào)焦鏡頭、USB攝像頭、光源支架、二位三通電磁閥、比例閥、減壓閥,以及高壓氮?dú)馄拷M成,如圖1所示。

1.檢測(cè)臺(tái) 2.控制箱 3.壓力傳感器 4.壓力室 5.待測(cè)樣本 6.環(huán)形光源 7.可調(diào)焦鏡頭 8.USB攝像頭 9.光源支架 10.二位三通電磁閥 11.比例閥 12.減壓閥 13.高壓氮?dú)馄繄D1 結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural representation

測(cè)量裝置工作原理：將待測(cè)樣本裝入壓力室檢測(cè)部位后,調(diào)節(jié)可調(diào)焦鏡頭使USB攝像頭采集到清晰的待測(cè)樣本截面圖像;高壓氮?dú)馄績(jī)?nèi)氮?dú)馔ㄟ^減壓閥、比例閥、二位三通電磁閥對(duì)壓力室加壓,比例閥控制加壓速度,同時(shí)由壓力傳感器采集壓力室內(nèi)壓強(qiáng)、USB攝像頭采集待測(cè)樣本截面圖像;控制箱內(nèi)檢測(cè)軟件對(duì)待測(cè)樣本截面圖像進(jìn)行處理、分析并判斷是否出現(xiàn)滲液。如果出現(xiàn)滲液,則設(shè)定當(dāng)前時(shí)刻為水勢(shì)測(cè)量終點(diǎn),停止加壓,并記下當(dāng)前壓力室內(nèi)壓強(qiáng)作為待測(cè)樣本的水勢(shì);否則繼續(xù)加壓,直至出現(xiàn)滲液。

2 控制系統(tǒng)硬件

控制系統(tǒng)由主控單元、數(shù)據(jù)采集單元、人機(jī)交互單元和執(zhí)行單元組成,如圖2所示。

圖2 原理框圖Fig.2 Functional block diagram

2.1 主控單元

主控單元選用IMX6Q開發(fā)板,采用飛思卡爾ARM Cortex A9四核處理器,運(yùn)行主頻最高可達(dá)1.2GHz,標(biāo)配2GB DDR3內(nèi)存及8GB EMMC存儲(chǔ),系統(tǒng)支持Linux-QT/Android/Ubuntu操作系統(tǒng),支持RGB/HDMI顯示、雙路USB接口、RS232串口等,能滿足系統(tǒng)的工作要求。

2.2 數(shù)據(jù)采集單元

數(shù)據(jù)采集模塊包括USB攝像頭和壓力傳感器。USB攝像頭選用QSC500N型彩色攝像頭,采用1/2.5彩色CMOS圖像傳感器,支持YUYV/MJPEG圖像格式,免驅(qū)支持Linux系統(tǒng),攝像頭通過USB接口連接時(shí)系統(tǒng)使用Linux內(nèi)核中的V4L2驅(qū)動(dòng)接口連接。為了獲得不同樣本截面的清晰圖像,配置一個(gè)可調(diào)焦鏡頭,焦距范圍為6～12mm。

壓力傳感器選用MIK-P300型壓力傳感器,傳感器內(nèi)的集成電路可以將傳感器毫伏信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)。

2.3 人機(jī)交互單元

人機(jī)交互單元選用群創(chuàng)TQ070TN92C型7寸觸摸屏,用于顯示作物名稱、系統(tǒng)工作狀態(tài)、壓力信息及水勢(shì)值等信息,接收用戶的功能選擇和參數(shù)設(shè)置等輸入信息。

2.4 執(zhí)行單元

執(zhí)行單元包括二位三通電磁閥和比例閥。二位三通電磁閥選用正泰N3V210型,采用開關(guān)量控制,由驅(qū)動(dòng)繼電器進(jìn)行驅(qū)動(dòng),控制測(cè)量裝置壓力室的進(jìn)氣、保持和泄壓等狀態(tài)。比例閥選用SMC ITVX2030型比例閥,采用模擬量控制,控制測(cè)量裝置的加壓速度。

3 控制系統(tǒng)軟件

3.1 水勢(shì)測(cè)量終點(diǎn)判斷算法

通過機(jī)器視覺檢測(cè)水勢(shì)測(cè)量終點(diǎn),其原理是：在水勢(shì)測(cè)量終點(diǎn),壓力室內(nèi)的壓力等于或稍大于待測(cè)樣本水勢(shì),待測(cè)樣本截面出現(xiàn)滲液,造成光線折射,引起待測(cè)樣本截面圖像灰度值發(fā)生變化。因此,通過待測(cè)樣本截面圖像灰度值的變化,可以判斷待測(cè)樣本截面是否出現(xiàn)滲液,當(dāng)前是否到達(dá)水勢(shì)測(cè)量終點(diǎn)。

水勢(shì)測(cè)量終點(diǎn)判斷算法包括以下步驟：

1)圖像灰度化。由于攝像頭采集到的圖像均為RGB圖像,因此首先需要將RGB圖像轉(zhuǎn)化為灰度圖像,即圖像灰度化。灰度化處理的方法主要有最大值法、平均值法和加權(quán)平均值法3種方法。

其中,加權(quán)平均值法最為合理,可以根據(jù)重要性和其他指標(biāo)給R、G、B賦予不同的權(quán)值。灰度值Vgray計(jì)算式為

Vgray=WrR+WgG+WbB

(1)

式中Vgray—灰度值;

R、G、B—紅、綠、藍(lán)三顏色通道的分量;

Wr、Wg、Wb—紅、綠、藍(lán)三顏色通道的加權(quán)值。

當(dāng)Wr=0.3、Wg=0.59、Wb=0.11時(shí),能得到最合理的灰度圖像[12]。待測(cè)樣本截面灰度圖像如圖3(a)所示。

(a) 灰度圖像 (b) 二值化圖像 (c) 分割圖像圖3 灰度圖像、二值圖像和分割圖像Fig.3 Gray image,binary image and segmentation image

2)圖像二值化。圖像二值化就是將圖像上像素點(diǎn)的灰度值設(shè)置為0或255,也就是將整個(gè)圖像呈現(xiàn)出明顯的黑白效果的過程,從而能凸顯出目標(biāo)的輪廓。

Otsu閾值法[13]是一種使類間方差最大的閾值確定方法,基本原理：把圖像中的像素按灰度值用閾值T分成兩類：C1和C2。C1由灰度值在[0,T]之間的像素組成;C2由灰度值在[T+1,L-1]之間的像素組成。兩類之間的類間方差σ(t)2計(jì)算式為

σ(t)2=ω1(t)ω2(t)[μ1(t)-μ2(t)]

(2)

式中σ(t)2—類間方差;

ω1(t)—C1中包含的像素?cái)?shù);

ω2(t)—C2中包含的像素?cái)?shù);

μ1(t)—C1中所有像素的平均灰度值;

μ2(t)—C2中所有像素的平均灰度值。

其中,T在[0,L-1]范圍依次取值,使σ2最大的T值即為Otsu法的最佳閾值。待測(cè)樣本截面二值化圖像如圖3(b)所示。

3)背景去除。用二值化圖像減去灰度圖像,將獲得的圖像進(jìn)行互補(bǔ)取得分割圖像,實(shí)現(xiàn)將待測(cè)樣本截面從灰度圖像中提取出來,如圖3(c)所示。

(3)

CUA—去除白色背景的像素點(diǎn)灰度值;

|CUA|—去除白色背景的像素點(diǎn)個(gè)數(shù)。

5)水勢(shì)測(cè)量終點(diǎn)判斷。將計(jì)算得到的樣本截面圖像灰度平均值與前一次的值相減,將變化量作為判斷依據(jù)。當(dāng)變化量在2～20之間,設(shè)定為待測(cè)樣本截面出現(xiàn)滲液,即到達(dá)水勢(shì)測(cè)量終點(diǎn)。

3.2 控制系統(tǒng)工作流程

控制系統(tǒng)工作流程如圖4所示。系統(tǒng)上電初始化完成后,通過觸摸屏設(shè)置待測(cè)樣本的種類及測(cè)量部位。首先,采集待測(cè)樣本截面圖像,計(jì)算并記錄其灰度平均值;然后,開始加壓,主控制器進(jìn)行水勢(shì)測(cè)量終點(diǎn)判斷。若沒有到達(dá)水勢(shì)測(cè)量終點(diǎn),則判斷壓力室內(nèi)壓強(qiáng)是否接近當(dāng)前樣本預(yù)設(shè)水勢(shì)下限;若沒有接近預(yù)設(shè)水勢(shì)下限,則返回加壓步驟;若接近預(yù)設(shè)水勢(shì)下限,則減小加壓速度,返回加壓步驟;若已到達(dá)水勢(shì)測(cè)量終點(diǎn),則記錄當(dāng)前壓力值為待測(cè)樣本水勢(shì),然后泄壓。

圖4 控制系統(tǒng)工作流程Fig.4 Control system workflow

系統(tǒng)流程圖中水勢(shì)測(cè)量終點(diǎn)判斷子程序如圖5所示。在USB攝像頭采集待測(cè)樣本截面圖像傳送給主控制器后,進(jìn)行圖像灰度化、圖像二值化、背景去除處理,計(jì)算灰度平均值;將該灰度平均值與前一次的值相比,若差值未大于2,則輸出0,表示待測(cè)樣本未出現(xiàn)滲液,未達(dá)到水勢(shì)測(cè)量終點(diǎn);若差值大于2,則輸出1,表示待測(cè)樣本出現(xiàn)了滲液,已達(dá)到水勢(shì)測(cè)量終點(diǎn)。

圖5 水勢(shì)終點(diǎn)判斷子程序Fig.5 Water potential terminal judging subroutine

4 樣機(jī)性能試驗(yàn)

待測(cè)樣本選用合作908粉紅番茄20株,通過山崎番茄營(yíng)養(yǎng)液配方培育8周。基于機(jī)器視覺的植物水勢(shì)測(cè)量裝置的光源選用環(huán)形光源,照明方式設(shè)為漫射照明,照明方向?yàn)榇怪闭丈?光照強(qiáng)度定為3000Lux,如圖6所示。

圖6 試驗(yàn)中的水勢(shì)測(cè)量裝置Fig.6 The water potential detection device in experiment

樣機(jī)和人眼觀察同時(shí)對(duì)同一株水勢(shì)進(jìn)行判斷、測(cè)量。樣機(jī)自動(dòng)測(cè)量和記錄番茄樣本水勢(shì)和測(cè)量耗時(shí),記為A組;人眼觀察、判斷并手動(dòng)記錄番茄樣本水勢(shì)和測(cè)量耗時(shí),記為B組。為減少人為誤差,采用3人同時(shí)觀察并分別記錄數(shù)據(jù),以3人記錄的平均值作為B組數(shù)據(jù)。試驗(yàn)中的水勢(shì)測(cè)量裝置如圖6所示,待測(cè)樣本水勢(shì)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 待測(cè)樣本水勢(shì)數(shù)據(jù)Table 1 Water potential data of samples

樣機(jī)測(cè)量一個(gè)樣本平均用時(shí)為5.2min,人眼觀察測(cè)量一個(gè)樣本平均用時(shí)為6.2min,樣機(jī)平均節(jié)約用時(shí)16.1%。與人眼觀察法相比,水勢(shì)測(cè)量平均誤差為0.01MPa,相對(duì)誤差為1.11%。

5 結(jié)論

提出了一種基于機(jī)器視覺的壓力室法植物水勢(shì)測(cè)量終點(diǎn)判斷方法,并開發(fā)了相應(yīng)的測(cè)量裝置。試驗(yàn)結(jié)果表明：基于機(jī)器視覺的壓力室法水勢(shì)測(cè)量方法可行,測(cè)量速度更快,測(cè)量精度較高。