[发明专利]一种基于Kinect自主标定的高通量温室植物表型测量系统

说明书

本发明公开了一种基于Kinect自主标定的高通量温室植物表型测量系统，采用Kinect相机与精密旋台结合方式，实现多视角RGBD图像采集，并且Kinect相机采用自主标定方式，实现多视角三维点云统一坐标系，为植物三维点云模型精确重构奠定基础，极大的提高了现有测量系统的集成度以及自动化水平。在成像系统中，采用两轴滑轨与激光测距传感器结合，实现成像系统位姿精确控制，使得成像系统满足全生长周期植物表型测量。本测量系统解决了温室植物表型高效、精准、可靠测量问题，提高了温室植物表型测量效率、精度和适用性，对促进我国设施园艺信息化、数字化、精准化及智能化管理具有重要意义。

技术领域

本发明涉及高通量温室植物表型测量领域，尤其是一种基于Kinect自主标定的高通量温室植物表型测量系统。

背景技术

随着我国设施农业的发展，我国已是世界设施园艺第一生产大国，由于植物信息是设施温室栽培实现智能化管理的重要依据，所以植物信息的高效、精准、可靠测量是设施温室智能化装备急需解决的关键问题之一。传统植物信息测量主要靠人工测量和目测等方式获取，存在速度慢、强度大、主观性强、误差大等缺陷，已经无法满足设施温室智能化装备的需要，制约了产业效益水平和劳动生产效率的提升。随着传感器技术的发展，可通过计算机图形图像处理的途径实现植物信息自动监测，研发一种基于Kinect自主标定的高通量温室植物表型测量系统，可以提高高通量温室植物表型测量系统自动化水平，将加速解决温室植物表型高效、精准、可靠测量问题，提高温室植物表型测量效率、精度和适用性，对促进我国设施温室信息化、数字化、精准化及智能化管理具有重要意义，并且加速我国作物分子育种和植物功能基因组学等学科领域的发展具有重要意义。

发明内容

本发明旨在提供一种高通量温室植物表型测量系统，在成像室安装Kinect相机、精密旋台、两轴滑轨以及LED光源等。精密旋台为圆盘形状，上面贴有两块圆形标定贴，实现Kinect自主标定，标定得到精密旋台旋转轴向量与轴心坐标，为多视角三维点云坐标统一奠定基础。精密旋台由步进电机驱动，实现植物旋转角度精确控制，Kinect相机采集多个视角下RGBD图像，通过Kinect相机内部参数，将深度图转换为三维点云图。根据旋台旋转轴向量与轴心坐标，将多视角下三维点云图进行位移以及旋转轴变换，选定初始参考坐标系，将其他视角下三维点云进行旋转角度逆变换，实现多视角三维点云统一坐标系，并进行迭代最近点法ICP精确配准，实现温室植物三维点云模型精确重构。根据植物三维点云模型，计算植物三维几何形态信息：植株高度、最大宽幅、体积、表面积、叶面积等植物表型参数。该发明测量系统具有精度高、速度快、适用性强的高通量温室植物表型测量系统。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：基于Kinect自主标定的高通量温室植物表型测量系统，包括成像室、成像系统控制柜、控制器、图形工作站、LED光源、Kinect相机、精密旋台、两轴滑轨、植物表型测量软件等。成像室采用铝型材搭建，顶部、侧面以及底部均封闭面，其中X轴向两侧面安装有移动门，成像室顶部安装LED光源。在成像室上方安装两轴滑轨，Kinect相机安装于Y轴滑轨支架上，横向Z轴与纵向Y轴均为步进电机驱动，步进电机通过驱动器连接至控制器，实现Kinect相机水平方向距离(Z轴)与测量高度(Y轴)的精确控制。在滑轨Y轴和Z轴两端均设置有限位保护开关，实现Kinect相机位姿控制保护功能。Kinect相机通过USB线缆连接至图形工作站，采用软件触发方式。在成像室底部安装精密旋台，旋台由步进电机驱动，两轴步进电机驱动器信号线连接至控制器。成像系统控制柜安装于成像室侧面，控制柜中主要包括：开关电源、控制器、继电器、步进电机驱动器、信号中继器等。温室植物表型测量软件安装于图形工作站上，成像系统控制柜通过RS232线连接至图形工作站。

作为本发明的进一步方案：所述成像系统，采用Kinect相机与精密旋台结合，实现多视角RGBD图像(深度图像和彩色图像)高速采集，降低了植物表型测量系统复杂性，提高了植物表型测量系统集成度以及测量效率。