基于Open CV和激光點云的黑皮雞樅菌生長監控系統

王歡 趙鑫鑫 商飛 黃健

一、前言

隨著人們健康意識的不斷提高和食品消費的不斷升級，食用菌作為一種營養豐富、健康美味的食品，越來越受到人們的青睞。黑皮雞樅菌屬擔子亞門菌，層菌綱，傘菌目，白蘑科，又名長根菇。它不僅含有豐富的氨基酸、維生素和醇類物質及多種生物酶，還含有多酚、多糖、黃酮等多種生物活性成分，是食用菌中的優良品種。然而黑皮雞樅菌菇的采摘是一個勞動密集型工作，需要人力不斷重復檢查菌菇的生長情況，不及時采摘的菌菇會失去食用價值。通過對黑皮雞樅菌生長過程的研究和管理，可以為其產量和質量提供更加可靠的保證，為消費者提供更加安全和健康的食品。

二、研究背景

近年來，計算機視覺和激光雷達技術在多個領域中都得到了廣泛應用。在工業自動化領域，這些技術被用于生產線上的質量檢測和定位控制等任務。在醫療診斷領域，計算機視覺技術可以幫助醫生進行更精確的疾病診斷和治療方案制定。在智能交通領域，激光雷達技術被用于實現自動駕駛和交通擁堵分析等功能。

然而，盡管計算機視覺和激光雷達技術在其他領域的應用已經得到了廣泛的研究和關注，但在黑皮雞樅菌生長監控方面的應用和研究還相對較少。傳統的生長監控方法主要是通過人工觀察和測量，這種方法不僅效率低下，而且難以實現準確的監測和預測。

通過對黑皮雞樅菌生長監控自動化技術的研究，也可以為其他食用菌的種植和管理提供有益的參考和借鑒。

三、創新設計生長監控系統

Open CV視覺處理技術發展迅速，激光雷達精度不斷提高，多種電子器件組合可以做到低功耗和微型化，實現很多自動化的智能產品。如圖1結構監控系統底視圖所示，本系統通過廣角深度鏡頭和激光雷達，采集種植平面的深度圖像數據和激光點云數據，經過數據融合、測距和目標識別，實現對各黑皮雞樅菌個體實時定位和判定是否成熟，為種植者實現菌菇采摘自動化提供精準的決策數據。用戶將監控系統置于需要監控的菌菇種植平面正上方，監控系統將根據用戶設置的時間間隔對目標種植平面進行數據采集；使用多個廣角鏡頭配合Open CV深度和拼接算法，采集種植平面的頂視深度圖像數據并對圖像中的菌菇進行識別和定位；使用激光雷達采集種植平面的激光點云數據；RISC-V處理器模塊運行多種程序完成對前述采集數據的處理，進而形成目標種植平面中各菌菇高度的實時數據和隨時間變化的數據庫；根據用戶需求，通過揚聲器發出菌菇生長緩慢或菌菇生長成熟等提示音，并可以將數據庫通過無線Wi-Fi傳輸給后臺供用戶進一步使用。本監控系統由結構體、廣角攝像頭、帶觸摸屏LED顯示屏、揚聲器模組，RISC-V處理器、激光雷達、無線Wi-Fi模塊、電源等部分組成，其電路系統架構如圖2。

（一） 結構體。負責為各組成模塊提供安裝和固定的結構空間，根據用戶需求提供多種外接固定方式，如螺釘、吊架等，采用ABS工程塑料或金屬材料制作。

（二） 廣角攝像頭。負責采集目標種植平面的深度圖像信息，采用2個鏡頭組成一個模組，采用2個模組拼接組成360°深度視野，通過使用Open CV函數進行圖像拼接和深度估計。

（三） 帶觸摸屏LED顯示屏。負責與用戶進行信息交換，用戶可通過屏幕設置監控模塊工作間隔時間、揚聲器模塊聲音類型和音量、設置該模塊用戶自定義編號、設置模塊Wi-Fi名稱和密碼等。

（四） 揚聲器模塊。負責根據RISC-V處理器的指令以用戶設置的音量播放用戶預存的各種提示語音，如編號xx菌菇生長過慢、編號xx菌菇生產成熟等。

（五） RISC-V處理器。本模塊包含一顆RISC-V處理器芯片、一顆揚聲器驅動芯片及附屬多種外圍芯片；RISC-V處理器芯片采用全志公司的D1芯片，RISC-V處理器芯片運行經過裁剪的嵌入式Linux操作系統，操作系統上運行Open CV目標檢測程序、激光點云生成程序和數據融合程序等；揚聲器驅動芯片采用宇音天下科技公司的OSYNO6188語音合成芯片，負責根據RISC-V處理器的指令驅動揚聲器發出特定的語音信息；Open CV程序基于Stitching模塊實現圖像拼接，基于Semi-global block matching（SGBM）立體匹配算法和視差處理算法完成目標種植平面的深度信息估計，負責識別并定位出圖像中的菌菇位置；激光點云生成程序負責根據激光雷達采集的數據實時生成目標種植平面的三維點云數據；數據融合程序負責根據深度圖像識別和定位結果在三維點云數據中找出目標種植平面中各菌菇高度的數據，并將數據存檔，進而形成各菌菇高度隨時間變化的數據庫。

（六） 激光雷達。負責根據RISC-V處理器指令采集目標種植平面的激光點云數據。

（七） 無線Wi-Fi模塊。負責監控模塊無線通信，為RISC-V處理器模塊提供網絡數據交互。

（八） 電源。本部分包含一個電源芯片模組，負責完成220V交流電源轉換為12V直流電源，為監控模塊提供電源。

四、結論

本文介紹了一種新穎而實用的黑皮雞樅菌生長監控系統，通過使用Open CV圖像處理技術和激光點云數據，實現自動化定時監控黑皮雞樅菌生長情況，極大的提高了生產效率。該系統具有完全自有知識產權。

（作者單位：王歡 ?商飛 黃健 山東省農業機械技術推廣站；趙鑫鑫 山東浪潮科學研究院）