基于RGB-D相机的马铃薯图像采集装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术涉及一种基于RGB‑D相机的马铃薯图像采集装置，包括图像采集模块、光源、样本托、暗箱、电缆和计算机；图像采集模块包括三个RGB‑D相机；样本托位于暗箱底板中心位置，样本托的中心轴与暗箱的底板平面垂直；马铃薯样本的尾部与样本托接触，贯穿马铃薯样本顶部到尾部的中心轴与样本托的中心轴重合；图像采集模块固定在样本托上方且与样本托的中心轴垂直的平面上，三个相机分别固定在以样本托的中心轴与图像采集模块所在平面的交点为圆心的圆周上，每个相机的镜头平面与样本托的中心轴间的夹角相等，且范围为10°～45°。光源固定在图像采集模块的上方，光源所在平面的中心垂线与样本托的中心轴重合；图像采集模块和计算机通过电缆相连接。

Potato Image Acquisition Device Based on RGB-D Camera

The utility model relates to a potato image acquisition device based on RGB D camera, which includes image acquisition module, light source, sample holder, dark box, cable and computer; image acquisition module includes three RGB D cameras; sample holder is located at the center position of the dark box bottom plate, the center axis of the sample holder is vertical to the floor plane of the dark box; the tail of the potato sample contacts with the sample holder and runs through. The center axis through the top to the tail of the potato sample coincides with the center axis of the sample holder; the image acquisition module is fixed on the plane above the sample holder and perpendicular to the center axis of the sample holder; the three cameras are fixed on the circumference of the center axis of the sample holder and the intersection point of the plane of the image acquisition module, and the angle between the lens plane of each camera and the center axis of the sample holder It is equal and ranges from 10 ~45. The light source is fixed on the top of the image acquisition module. The center vertical line of the light source plane coincides with the center axis of the sample holder. The image acquisition module and the computer are connected by a cable.

【技术实现步骤摘要】
基于RGB-D相机的马铃薯图像采集装置
本技术涉及一种马铃薯图像采集装置，尤其是一种基于多视角RGB-D相机的马铃薯图像采集装置。
技术介绍
马铃薯是世界上除小麦、玉米和水稻之外的第四大粮食作物。在中国，为了大力推进马铃薯的主粮化进程，在生产环节，采取了大量措施以提高马铃薯的种植面积、单产水平和总产量，促进了马铃薯生产全过程中耕种和收获阶段的机械化与自动化的大力发展，但是马铃薯种薯播前处理阶段的自动化水平还不够高。在马铃薯种植中，优质的种薯是获得高产的基本保障。经研究，用于播种的种薯，单个重量50～70g时可获得较高的产出，单个重量>70g时增产效果不明显，但是成本增加，因此大种薯直接用于播种造成了原料浪费和经济损失。生产适宜大小的种薯需要控制播种密度，且易受品种、土壤环境、气候条件和耕作制度等多种因素的影响，其成熟的技术在中国尚未大面积普及，因此中国用于播种的马铃薯存在大量大种薯。在播种前可对大种薯进行切块处理，其优势是，能促进块茎内外的氧气交换，破除休眠，使种薯提早发芽出苗，苗齐、苗壮，有利于缩短马铃薯的生长期；且可以充分利用芽眼，降低成本，提高经济效益。根据观察总结，芽眼在马铃薯表面的分布规律为：顶部芽眼较密集，而尾部几乎没有芽眼；顶部到尾部间的区域所分布的芽眼为侧芽，侧芽数量从顶部到尾部逐渐减少。目前，马铃薯种薯的切块方式主要有人工切块和机械切块两种。人工切块是由人眼观察种薯芽眼的分布，然后判断切块路径并人工执行。这种切块方式依赖工作人员的经验判断，种薯芽眼利用率不稳定，且劳动强度大，工作效率低，人工成本高。机械切块相对人工切块提高了切块速度，但是切块前缺乏对种薯芽眼位置的智能识别，所得薯块上随机的存在0个或多个芽眼，需要人工进一步分拣剔除，工作效率较低，且造成了一定量的种薯浪费。因此，马铃薯种薯的芽眼识别及定位对实现自动化切块具有重要意义。郁志宏等(郁志宏,郝慧灵,张宝超.基于欧氏距离的发芽马铃薯无损检测研究[J].农机化研究,2015,37(11):174-177.)基于机器视觉系统采集发芽马铃薯的二维图像，然后利用欧氏距离的算法分割并标记出发芽部位，识别正确率达94％。田海韬(田海韬,赵军,蒲富鹏.马铃薯芽眼图像的分割与定位方法[J].浙江农业学报,2016,28(11):1947-1953.)等基于马铃薯的二维图像识别芽眼。首先使用欧氏距离算法在彩色空间图像上分割芽眼区域，同时对灰度空间图像进行图像模糊增强以后采用动态阈值法分割芽眼区域，结合两个空间的分割结果定位出芽眼的位置，识别正确率达到96％。上述研究从二维图像的角度识别并定位马铃薯芽眼，达到了较好的效果。但是马铃薯具备三维立体结构，将二维图像上的识别结果直接应用到马铃薯切块会产生一定的误差。因此，在基于二维图定位马铃薯芽眼的基础上，将其投影到三维空间，从而获得芽眼相对于马铃薯样本的三维坐标是有必要的。公布号为CN108053485A的专利公开了“一种基于轮廓图像的马铃薯三维建模方法”，通过提取视角相互垂直的两组二维图像轮廓上的角点，并筛选得到特征点。用特征点建模生成马铃薯外形骨架，从而创建和拾取闭合曲面，实体化得到三维模型。公布号为CN106228612A的专利公开了“一种利用定轴旋转轮廓图重建马铃薯三维表面的方法和装置”，该专利依次采集马铃薯按一定细分角度旋转得到的一组二维图像，并提取轮廓，拼接所得轮廓并拟合得到马铃薯的三维表面图像。上述两个专利均是在二维图像集合的基础上拟合生成马铃薯的三维模型。专利CN108053485A特点是以视角相互垂直的两组马铃薯轮廓为基础拟合生成三维模型，其相对于将马铃薯拟合为椭圆的方法提高了建模的精度，但由于马铃薯形状不规则，选取相互垂直的两个视角的轮廓时具有随机偶然性，易忽略重要的表面轮廓信息，模型的精度仍然不够高。专利CN106228612A特点是固定一个马铃薯的轴作为旋转轴并按一定细分角度旋转马铃薯采集图像，对数据采集过程的误差控制要求比较高，在实际操作过程中旋转轴的微动和旋转角的变化易造成随机误差。因此采集马铃薯样品的深度图像从而生成三维模型在减少上述误差方面是有优势的。QinghuaSu等(SuQ,KondoN,LiM,etal.Potatofeaturepredictionbasedonmachinevisionand3Dmodelrebuilding[J].ComputersandElectronicsinAgriculture,2017,137:41-51.)使用深度相机采集马铃薯的深度图像，利用所得数据拟合生成样本的三维图像，从而提取得到样本的长度、宽度、厚度、表面积和体积等参数，并使用体积参数预测马铃薯质量。上述参数的预测准确率均高于90％。该研究采用深度相机采集马铃薯图像，实现了对马铃薯三维表面结构的初步模拟及尺寸计算，但是该方法通过人工翻转样本以采集正反两面的图像，不能保证马铃薯所有表面的特征被充分覆盖，另外深度图像的分辨率较低，且样本距镜头较远，使得样本在深度相机视野内所占据的面积比例十分小，不能用于样品表面细节特征(如芽眼)的分析。因此该研究不足以作为马铃薯芽眼识别及定位研究的基础。本技术针对上述问题及技术需求，提出了一种基于多视角RGB-D相机的马铃薯图像采集装置。根据芽眼在马铃薯表面的分布规律，使用多个RGB-D相机组成的图像采集装置从多个角度采集马铃薯的彩色图和深度图，从而覆盖马铃薯表面几乎所有含芽眼的区域。对所得图像进行处理，基于彩色图实现马铃薯芽眼的识别及二维坐标定位；基于彩色图和深度图的对齐生成包含三维坐标和颜色信息的点云，多组点云配准生成马铃薯三维模型；基于马铃薯三维模型重建的过程，将所得芽眼二维坐标转换到马铃薯三维模型所在三维空间坐标系下，为实现更精确的马铃薯种薯自动切块奠定基础。
技术实现思路
本技术公开了一种基于多视角RGB-D相机的马铃薯图像采集装置。为达到以上目的，本技术采取的技术方案是：一种基于多视角RGB-D相机的马铃薯图像采集装置，主要包括图像采集模块3、光源2、样本托5、暗箱1、电缆6以及计算机7；其中图像采集模块3包括三个RGB-D相机：RGB-D相机a8、RGB-D相机b9和RGB-D相机c10；所述图像采集模块3、光源2和样本托5均置于暗箱1内；样本托5位于暗箱1底板中心位置，样本托5上放置马铃薯样本4，所述样本托5与马铃薯样本4接触的面为内凹的球型面，样本托5的中心轴与暗箱1的底板平面垂直；所述马铃薯样本4的尾部与样本托5接触，贯穿马铃薯样本4顶部到尾部的中心轴与样本托5的中心轴重合；图像采集模块3固定在样本托5上方且与样本托5的中心轴垂直的平面上，三个RGB-D相机分别固定在以样本托5的中心轴与图像采集模块3所在平面的交点为圆心的圆周上，三个RGB-D相机两两之间的圆心角为120°。为保证相机的视野覆盖马铃薯样本4上表面的图像，同时覆盖马铃薯样本4侧下方的图像，每个RGB-D相机的镜头平面与样本托5的中心轴间的夹角相等，且范围为10°～45°。光源2固定在图像采集模块3的上方，光源2所在平面的中心垂线与样本托5的中心轴重合；图像采集模块3和计算机7通过电缆6相连接。在上述方案的基础上，所述暗箱本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于多视角RGB‑D相机的马铃薯图像采集装置，其特征在于：包括图像采集模块(3)、光源(2)、样本托(5)、暗箱(1)、电缆(6)以及计算机(7)；图像采集模块(3)包括三个RGB‑D相机：RGB‑D相机a(8)、RGB‑D相机b(9)和RGB‑D相机c(10)；所述图像采集模块(3)、光源(2)和样本托(5)均置于暗箱(1)内；样本托(5)位于暗箱(1)底板中心位置，样本托(5)上放置马铃薯样本(4)，所述样本托(5)与马铃薯样本(4)接触的面为内凹的球型面，样本托(5)的中心轴与暗箱(1)的底板平面垂直；所述马铃薯样本(4)的尾部与样本托(5)接触，贯穿马铃薯样本(4)顶部到尾部的中心轴与样本托(5)的中心轴重合；图像采集模块(3)固定在样本托(5)上方且与样本托(5)的中心轴垂直的平面上，三个RGB‑D相机分别固定在以样本托(5)的中心轴与图像采集模块(3)所在平面的交点为圆心的圆周上，三个RGB‑D相机两两之间的圆心角为120°，每个RGB‑D相机的镜头平面与样本托(5)的中心轴间的夹角相等，且范围为10°～45°；光源(2)固定在图像采集模块(3)的上方，光源(2)所在平面的中心垂线与样本托(5)的中心轴重合；图像采集模块(3)和计算机(7)通过电缆(6)相连接。...

【技术特征摘要】
1.一种基于多视角RGB-D相机的马铃薯图像采集装置，其特征在于：包括图像采集模块(3)、光源(2)、样本托(5)、暗箱(1)、电缆(6)以及计算机(7)；图像采集模块(3)包括三个RGB-D相机：RGB-D相机a(8)、RGB-D相机b(9)和RGB-D相机c(10)；所述图像采集模块(3)、光源(2)和样本托(5)均置于暗箱(1)内；样本托(5)位于暗箱(1)底板中心位置，样本托(5)上放置马铃薯样本(4)，所述样本托(5)与马铃薯样本(4)接触的面为内凹的球型面，样本托(5)的中心轴与暗箱(1)的底板平面垂直；所述马铃薯样本(4)的尾部与样本托(5)接触，贯穿马铃薯样本(4)顶部到尾部的中心轴与样本托(5)的中心轴重合；图像采集模块(3)固定在样本托(5)上方且与样本托(5)的中心轴垂直的平面上，三个RGB-D相机分别固定在以样本托(5)的中心轴与图像采集模块(3)所在平面的交点为圆心的圆周上，三个RGB-D相机两两之间...

【专利技术属性】
技术研发人员：谭彧，田芳，刘星星，吕昊暾，李宝胜，杨圣慧，
申请(专利权)人：中国农业大学，
类型：新型
国别省市：北京,11