【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于光电检测和图像处理领域，具体涉及一种线激光诱导叶绿素荧光的三维成像装置及方法。
技术介绍
1、叶绿素荧光是一种非侵入性的探测方法，用于评估植物光合作用的早期指标。与叶绿素含量和植物结构变化相比，叶绿素荧光的变化更早出现。因此，它被广泛应用于光合作用检测以及研究不同胁迫状态下植物的生长状况。激光诱导叶绿素荧光成像方法不需要直接接触或伤害植物，通过激发叶绿素发出的荧光信号来获取信息。这种非侵入性的特点使得该方法能够在实时、连续的条件下监测植物的生理状态，而不会对植物造成损害。
2、现有叶绿素荧光三维成像装置的不足之处有：使用单点激光作为激发光源的设备需要对每片叶子激发多个点位，这导致整个测量周期可能需要数小时，使得装置无法实时监测植株冠层的叶绿素荧光；采用led面光源的装置，虽然能够覆盖较大的测量面积，但其灯板体积较大，限制了系统的便携性和灵活性。此外，现有的三维叶绿素荧光探测方法均采用双目相机原理来实现叶绿素荧光图像与点云之间的配准，其精度受到相机的相对位置以及标定的准确性影响，因此系统的实用性不强。
技术实现思路
1、针对现有技术中存在不足，本专利技术提供了一种线激光诱导叶绿素荧光的三维成像装置及方法。
2、本专利技术是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
3、一种线激光诱导叶绿素荧光的三维成像装置，包括cmos相机、三棱镜、步进电机、嵌入式计算机、长波通滤光片、一字型激光光源装置、电动滑轨、测量平台和承重架；
4、所述
5、所述嵌入式计算机与步进电机、cmos相机、电动滑轨进行通信。
6、上述技术方案中，还包括显示屏，所述显示屏与嵌入式计算机连接，用于切换所述三维成像装置的工作模式。
7、一种线激光诱导叶绿素荧光的三维成像方法，所述三维成像装置的工作模式是获取完整的荧光动力学参数，形成带有荧光动力学参数的三维点云数据。
8、进一步地：
9、在拍摄低于50cm的植物时：一字型激光光源装置与三棱镜位于同一水平线，且一字型激光光源装置的发射点正对三棱镜设置；所述步进电机从起始角度开始，按照0.2°的步进角度转动，每转动一次便停止；一字型激光光源装置依据脉冲振幅调制测量原理发射线宽为5mm的线激光，对放置在测量平台上的待测叶片进行照射，嵌入式计算机利用pwm脉宽调制技术将测量光、饱和脉冲光和光化光组合为一个测量周期，在此测量周期内，cmos相机完成多张成像，并传输至嵌入式计算机；一次成像完成后，步进电机继续按照0.2°的步进角度转动，继续成像，直至转动至终止角度；所述嵌入式计算机对接收的图像进行多线程处理，对多张图像中的叶绿素荧光线段进行提取并拼接成一张完整叶片的叶绿素荧光图像，计算其荧光动力学参数，依据荧光动力学参数合成伪彩色图像；同时，根据激光线像素点的偏移提取出三维点云，将伪彩色图像映射至三维点云，形成带有荧光动力学参数的三维点云数据；
10、在拍摄50cm-100cm范围的植物时：将水平设置的一字型激光光源装置调节至与竖直线的夹角成θ，一字型激光光源装置依据脉冲振幅调制测量原理发射线宽为5mm的线激光，对放置在测量平台上的待测叶片进行照射，嵌入式计算机利用pwm脉宽调制技术将测量光、饱和脉冲光和光化光组合为一个测量周期，在此测量周期内，cmos相机完成多张成像，并传输至嵌入式计算机；成像完成后，电动滑轨向cmos相机方向滑动5mm，继续测量，直至扫描完整个测量平台；所述嵌入式计算机对接收的图像进行多线程处理，对多张图像中的叶绿素荧光线段进行提取并拼接成一张完整叶片的叶绿素荧光图像，计算其荧光动力学参数，依据荧光动力学参数合成伪彩色图像；同时，根据激光线像素点的偏移提取出三维点云，将伪彩色图像映射至三维点云，形成带有荧光动力学参数的三维点云数据。
11、进一步地，所述拼接成一张完整叶片的叶绿素荧光图像的方法具体为：对每张图像进行阈值分割，提取出叶绿素荧光线段，遍历所有图像，将所有提取出的叶绿素荧光线段放置在画布上，便获得一张完整叶片的叶绿素荧光图像。
12、一种线激光诱导叶绿素荧光的三维成像方法，所述三维成像装置的工作模式是快速测量实时荧光参数，形成带有实时荧光参数的三维点云数据。
13、进一步地，步进电机的转动范围限定在垂直向下45°范围之内，设定cmos相机曝光时间为10s，设定步进电机从-22.5°转到22.5°的时间为10s，设定一字型激光光源装置工作在最大功率；当步进电机开始旋转时，同时触发cmos相机拍摄并启动一字型激光光源装置发射激光，在10s内完成对放置在测量平台上的待测叶片的扫描与长曝光成像；随后设定cmos相机为视频采集模式，步进电机再从22.5°转到-22.5°，完成三维原始信息图像的采集；
14、嵌入式计算机对接收的图像进行多线程处理，依据长曝光图像计算实时荧光参数，依据实时荧光参数合成伪彩色图像；同时，根据激光线像素点的偏移提取出三维点云，最后将伪彩色图像映射至三维点云，形成带有实时荧光参数的三维点云数据。
15、更进一步地，通过改变嵌入式计算机输出的pwm波的占空比，驱动一字型激光光源装置分别实现测量光、饱和脉冲光和光化光的发射；激光激发序列设定如下：测量光、饱和脉冲光、测量光、光化光、测量光、9次连续的饱和脉冲光、测量光，在发射测量光时，同时触发cmos相机拍摄。
16、更进一步地，所述荧光动力学参数/实时荧光参数的计算具体为：将一张完整叶片的叶绿素荧光图像进行乘法运算，得到荧光区域掩模图；将掩模图像素矩阵累加，得到叶片区域像素值总数num；将待计算的叶绿素荧光图像与荧光区域掩模图进行分割运算，得到分割后的荧光图；将分割后的荧光图像素矩阵相加，得到叶片区域像数值总和data；将叶片区域像素值总数num与叶片区域像数值总和data代入公式计算，得到一张完整叶片的叶绿素荧光图像对应的叶绿素荧光参数值，即荧光动力学参数；所述待计算的叶绿素荧光图像包括cmos相机拍摄的测量光下完整叶片的叶绿素荧光图像、饱和脉冲光下完整叶片的叶绿素荧光图像和光化光下完整叶片的叶绿素荧光图像。
17、更进一步地，所述三维点云的提取具体为：将激光线照射在待测叶片每个位置时所有饱和脉冲光下的叶绿素荧光图像提取出来，并排列与激光线扫描方向一致成的图片序列；分析图片序列中的每一张图片，提取出画面中激光线的中心线，将每一张图片中提取到中心线的像素坐标转化到基准坐标系下，求解出基准坐标系下的横纵坐标值，将所述横纵坐标值输入至基准坐标系下的光平面方程，反演出点云深度信息，再将所述横纵坐标值与下一张图片中激光线像素点的偏移进行相加，得到点云真实的基准坐标；遍历完图片序列本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种线激光诱导叶绿素荧光的三维成像装置，其特征在于，包括CMOS相机(1)、三棱镜(2)、步进电机(3)、嵌入式计算机(5)、长波通滤光片(6)、一字型激光光源装置(7)、电动滑轨(8)、测量平台(10)和承重架(11)；
2.根据权利要求1所述的线激光诱导叶绿素荧光的三维成像装置，其特征在于，还包括显示屏(4)，所述显示屏(4)与嵌入式计算机(5)连接，用于切换所述三维成像装置的工作模式。
3.一种基于权利要求1-2任一项所述的线激光诱导叶绿素荧光的三维成像装置的三维成像方法，其特征在于，所述三维成像装置的工作模式是获取完整的荧光动力学参数，形成带有荧光动力学参数的三维点云数据。
4.根据权利要求3所述的三维成像方法，其特征在于：
5.根据权利要求4所述的三维成像方法，其特征在于，所述拼接成一张完整叶片的叶绿素荧光图像的方法具体为：对每张图像进行阈值分割，提取出叶绿素荧光线段，遍历所有图像，将所有提取出的叶绿素荧光线段放置在画布上，便获得一张完整叶片的叶绿素荧光图像。
6.一种基于权利要求1-2任一项所述的线激光诱
7.根据权利要求6所述的三维成像方法，其特征在于：
8.根据权利要求4或6所述的三维成像方法，其特征在于，通过改变嵌入式计算机(5)输出的PWM波的占空比，驱动一字型激光光源装置(7)分别实现测量光、饱和脉冲光和光化光的发射；激光激发序列设定如下：测量光、饱和脉冲光、测量光、光化光、测量光、9次连续的饱和脉冲光、测量光，在发射测量光时，同时触发CMOS相机(1)拍摄。
9.根据权利要求8所述的三维成像方法，其特征在于，所述荧光动力学参数/实时荧光参数的计算具体为：将一张完整叶片的叶绿素荧光图像进行乘法运算，得到荧光区域掩模图；将掩模图像素矩阵累加，得到叶片区域像素值总数num；将待计算的叶绿素荧光图像与荧光区域掩模图进行分割运算，得到分割后的荧光图；将分割后的荧光图像素矩阵相加，得到叶片区域像数值总和Data；将叶片区域像素值总数num与叶片区域像数值总和Data代入公式计算，得到一张完整叶片的叶绿素荧光图像对应的叶绿素荧光参数值，即荧光动力学参数；所述待计算的叶绿素荧光图像包括CMOS相机(1)拍摄的测量光下完整叶片的叶绿素荧光图像、饱和脉冲光下完整叶片的叶绿素荧光图像和光化光下完整叶片的叶绿素荧光图像。
10.根据权利要求4或6所述的三维成像方法，其特征在于，所述三维点云的提取具体为：将激光线照射在待测叶片每个位置时所有饱和脉冲光下的叶绿素荧光图像提取出来，并排列与激光线扫描方向一致成的图片序列；分析图片序列中的每一张图片，提取出画面中激光线的中心线，将每一张图片中提取到中心线的像素坐标转化到基准坐标系下，求解出基准坐标系下的横纵坐标值，将所述横纵坐标值输入至基准坐标系下的光平面方程，反演出点云深度信息，再将所述横纵坐标值与下一张图片中激光线像素点的偏移进行相加，得到点云真实的基准坐标；遍历完图片序列，获得完整点云。
...【技术特征摘要】
1.一种线激光诱导叶绿素荧光的三维成像装置，其特征在于，包括cmos相机(1)、三棱镜(2)、步进电机(3)、嵌入式计算机(5)、长波通滤光片(6)、一字型激光光源装置(7)、电动滑轨(8)、测量平台(10)和承重架(11)；
2.根据权利要求1所述的线激光诱导叶绿素荧光的三维成像装置，其特征在于，还包括显示屏(4)，所述显示屏(4)与嵌入式计算机(5)连接，用于切换所述三维成像装置的工作模式。
3.一种基于权利要求1-2任一项所述的线激光诱导叶绿素荧光的三维成像装置的三维成像方法，其特征在于，所述三维成像装置的工作模式是获取完整的荧光动力学参数，形成带有荧光动力学参数的三维点云数据。
4.根据权利要求3所述的三维成像方法，其特征在于：
5.根据权利要求4所述的三维成像方法，其特征在于，所述拼接成一张完整叶片的叶绿素荧光图像的方法具体为：对每张图像进行阈值分割，提取出叶绿素荧光线段，遍历所有图像，将所有提取出的叶绿素荧光线段放置在画布上，便获得一张完整叶片的叶绿素荧光图像。
6.一种基于权利要求1-2任一项所述的线激光诱导叶绿素荧光的三维成像装置的三维成像方法，其特征在于，所述三维成像装置的工作模式是快速测量实时荧光参数，形成带有实时荧光参数的三维点云数据。
7.根据权利要求6所述的三维成像方法，其特征在于：
8.根据权利要求4或6所述的三维成像方法，其特征在于，通过改变嵌入式计算机(5)输出的pwm波的占空比，驱动一字型激光光源装置(7)分别实现测量光、饱和脉...
【专利技术属性】
技术研发人员：王纪章，袁萌，付益辉，王涛，周静，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：
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