一种多功能植物表型获取平台及获取方法与流程

本发明涉及植物二维表型获取和三维重构技术领域，尤其涉及到一种多功能植物表型获取平台及获取方法。

背景技术：

植物表型组学是研究植物生长、表现和组成的科学，能够有效追踪基因型、环境因素和表型之间的联系，是突破未来作物学研究和应用的关键领域。其中植物表型特征参数的获取一直是植物表型组学研究的第一步骤，也是关键步骤。目前，植物表型信息的获取大多依靠人工手动测量，耗时费力，即使针对同一植株，人工获取的信息仍存在偶然性且可靠性并不高。

随着技术的成熟，国内外的研究学者针对植物表型信息，采用了不同的研究方法，使用最为广泛且实现程度最高的是与深度学习技术结合的植物表型图像分析技术，推动其发展的主要包括以下三要素：表型组学研究设备、表型采集技术、图像数据分析方法。因进行深度学习所需图片数量巨大，单纯靠人工进行拍摄费时费力且每张图片的标准化程度不高，会造成学习效果不达标的情况。

技术实现要素：

本发明针对现有技术的不足，提供一种多功能植物表型获取平台及获取方法，解决了进行植物表型采集过程中无标准化流程且过程繁琐的问题，能够实现设备自动调距、自动取照、自动根据旋转角调整伸缩杆长度，自动化程度高，大幅提高了表型资料获取效率。

本发明是通过如下技术方案实现的，提供一种多功能植物表型获取平台，包括旋转平台、沿竖向伸缩的第一伸缩机构和安装在第一伸缩机构伸缩部的第二伸缩机构，所述第二伸缩机构的伸缩部上安装有位于旋转平台上方的采集装置。

本方案在使用时，将待拍摄植株放于旋转平台，通过第一伸缩机构调整采集装置与植株的竖向距离，通过第二伸缩机构调整采集装置与植株沿横向的距离，以提高采集装置所采集图像的清晰度，从而提高相片质量。

作为优化，第一伸缩机构的伸缩部上还安装有驱动第二伸缩机构在竖向平面内转动的旋转机构。本优化方案通过设置旋转机构带动第二伸缩机构转转，调整第二伸缩机构的伸缩部与第一伸缩机构的伸缩部之间的夹角，实现采集角度和采集位置的调整，从而进一步提高了采集质量。

作为优化，所述旋转机构包括与第一伸缩机构的伸缩部固接且相对设置的两弧形挡板，以及位于两弧形挡板之间且与第二伸缩机构的固定部固接的旋转体，弧形挡板上安装有驱动旋转体转动的第四电机。本优化方案的旋转机构采用第四电机作为驱动装置，利用第四电机带动旋转体旋转，从而带动第二伸缩机构转动，利用两弧形挡板对旋转体进行限位，结构简单，大幅降低制作成本。

作为优化，所述旋转体包括与弧形挡板的弧度适配的旋转球以及与旋转球固接的螺柱，所述螺柱与第二伸缩机构的固定部螺纹连接，旋转球与第四电机的电机轴固定连接，两弧形挡板之间的距离小于旋转球的直径。本优化方案将旋转体设置为球体结构，旋转球与弧形挡板的接触面积小，使旋转球转动的摩擦力大幅降低，提高了动作的灵活性，通过设置螺柱，方便对第二伸缩机构的固定部进行安装固定，提高了设备组装效率，也可调整第二伸缩机构的在横平面的转过角度。

作为优化，所述旋转体远离电机的一侧安装有角度传感器。本优化方案通过设置角度传感器，方便对旋转体转过的角度进行监测，以便对表型获取参数进行统计。

作为优化，所述采集装置包括安装在第二伸缩机构的伸缩部伸出端底面的摄像头和位于摄像头后侧的补光灯，摄像头沿竖直方向向下设置。本优化方案将摄像头设置在第二伸缩机构的伸缩部伸出端底面，便于增大采集范围，并且方便与植株正对，以获得更好的植株信息，同时完成补光与图像采集过程，保证了相片质量的统一。

作为优化，第一伸缩机构的伸缩部表面设有若干沿轴向分布的纵向反光薄片，第一伸缩机构的固定部设有与所述纵向反光薄片对应的第一光电传感器。本优化方案通过第一光电传感器获取第一伸缩机构的伸出状态，便于控制和掌握采集时的高度位置信息。

作为优化，第二伸缩机构的伸缩部表面设有若干沿轴向分布的横向反光薄片，第二伸缩机构的固定部设有与所述横向反光薄片对应的第二光电传感器。本优化方案通过第二光电传感器获取第二伸缩机构的伸出状态，便于控制和掌握采集时的横向位置信息。

作为优化，第一伸缩机构包括第一推杆和固定设置的第一推杆壳体，第一推杆壳体上固装有驱动第一推杆沿竖向移动的第一电机；第二伸缩机构包括第二推杆以及与第一推杆固接的第二推杆壳体，第二推杆壳体上固装有驱动第二推杆沿横向移动的第二电机。本优化方案的第一伸缩机构和第二伸缩机构均采用电机带动推杆伸缩的型式，结构简单，方便控制。

本方案还提供一种使用上述获取平台进行的植物表型获取方法，包括二维表型获取和三维表型获取；

二维表型获取包括如下步骤：

（1）将待拍摄植株放于旋转平台，然后通过智能控制装置启动第一电机、第二电机和第四电机，分别将第一推杆、第二推杆和旋转球体调整到初始位置；

（2）智能控制装置按照采集规则自动调整摄像头至合适位置；

（3）智能控制装置将达到设定标准的图像以采集参数及次序进行命名和保存；

三维表型获取包括如下步骤：

（1）将待拍摄植株放于旋转平台，然后通过智能控制装置启动第一电机、第二电机和第四电机，分别将第一推杆、第二推杆和旋转球体调整到初始位置；

（2）智能控制装置按照采集规则自动调整摄像头至合适位置；

（3）启动第三电机，驱动旋转平台旋转；

（4）摄像头间隔固定时间进行拍照并将图像传输至智能控制装置；

（5）智能控制装置将达到设定标准的图像以采集参数及次序进行命名和保存。

本发明的有益效果为：通过第一伸缩机构调整采集高度位置，通过第二伸缩机构调整采集的横向位置，通过旋转球体的转动调整采集角度和高度，实现了三维的距离调整，保证了拍摄照片的高清晰度，提高照片质量，而且自动化程度高，标准化作业好，大幅提高了表型资料获取效率。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2是本发明自动调距装置结构示意图；

图3是本发明旋转平台结构示意图；

图4是本发明第一伸缩机构和旋转机构结构示意图；

图5是本发明第二伸缩机构结构示意图；

图中所示：

1.采集装置；2.自动调距装置；3.旋转平台；4.底板；5.第一伸缩机构；6.数显板；7.光电传感器；8.旋转机构；9.第二伸缩机构；10.智能控制装置；11.第三电机；12.平台壳体；13.旋转盘；14.第一推杆壳体；15.第一光电传感器；16.纵向反光薄片；17.第一推杆；18.角度传感器；19.旋转球；20.第四电机；21.第一电机；22.第二电机；23.第二推杆壳体；24.第二光电传感器；25.补光灯；26.摄像头；27.第二推杆；28.横向反光薄片。

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，对本方案进行阐述。

如图1所示一种多功能植物表型获取平台，包括底板4、自动调距装置2、智能控制装置10、光电传感器7和旋转平台3，自动调距装置2、智能控制装置10和旋转平台3均安装在底板上。

如图3所示，旋转平台包括与底板固接的平台壳体12，以及位于平台壳体12上表面的旋转盘13，智能控制装置10设置在平台壳体内，平台壳体内还设有第三电机11，以及与旋转盘固接的齿轮轴，第三电机的输出轴上固装有与齿轮轴啮合的齿轮，齿轮轴与平台壳体通过轴承连接，第三电机通过齿轮传动带动旋转盘转动，从而带动放于旋转盘上的植株转动。

自动调距装置2包括旋转机构8、沿竖向伸缩的第一伸缩机构5和安装在第一伸缩机构伸缩部的第二伸缩机构9，所述第二伸缩机构的伸缩部上安装采集装置1，采集装置1位于旋转平台的上方，旋转机构8安装在第一伸缩机构的伸缩部上，旋转机构8动作时，驱动第二伸缩机构在竖向平面内转动。

如图4所示，第一伸缩机构包括第一推杆17和固定设置的第一推杆壳体14，第一推杆壳体上固装有驱动第一推杆沿竖向竖直移动的第一电机21，第一推杆壳体上还固定安装有数显板6，数显板6和第一电机21均与智能控制装置电连接，本实施例的第一推杆壳体14固接于底板4的边缘，且位于平台壳体的一侧。第一伸缩机构的伸缩部即第一推杆的外表面设有若干沿轴向等间距分布的纵向反光薄片16，第一伸缩机构的固定部即第一推杆壳体14上端设有与所述纵向反光薄片对应的第一光电传感器15，第一光电传感器15与智能控制装置电连接，各纵向反光薄片16经过第一光电传感器15时，第一光电传感器将感应信号传至智能控制装置10。

如图5所示，第二伸缩机构包括第二推杆27以及与第一推杆固接的第二推杆壳体23，第二推杆壳体上固装有驱动第二推杆沿横向水平移动的第二电机22。第二电机22与智能控制装置电连接，通过智能控制装置控制第一电机21和第二电机22的启停。第二伸缩机构的伸缩部即第二推杆27外表面设有若干沿轴向等间距分布的横向反光薄片28，第二伸缩机构的固定部即第二推杆壳体23设有与所述横向反光薄片对应的第二光电传感器24。第二光电传感器24与智能控制装置电连接，各横向反光薄片28经过第二光电传感器24时，第二光电传感器将感应信号传至智能控制装置10。

作为优化的分布方式，本实施例的纵向反光薄片16均匀设置于第一推杆17的两侧，分布方式为一侧从第一推杆中间位置开始沿推杆方向向上均匀排布，另一侧从第一推杆中间位置开始沿推杆方向向下均匀排布。横向反光薄片28均匀设置于第二推杆27的两侧，分布方式为一侧从第二推杆中间位置开始沿推杆方向向上均匀排布，另一侧从第一推杆中间位置开始沿推杆方向向下均匀排布。

旋转机构8包括与第一推杆固接且相对设置的两弧形挡板，以及位于两弧形挡板之间且与第二伸缩机构的固定部固接的旋转体，弧形挡板上安装有驱动旋转体转动的第四电机20，旋转体远离电机的一侧安装有角度传感器18，角度传感器和第四电机均与智能控制装置电连接。旋转体包括与弧形挡板的弧度适配的旋转球19以及与旋转球顶部固接的螺柱，所述螺柱与第二伸缩机构的固定部即第二推杆壳体23螺纹连接，旋转球与第四电机的电机轴通过键固定连接，两弧形挡板之间的距离小于旋转球的直径。通过旋转机构调节第一伸缩机构与第二伸缩机构的夹角。

采集装置包括安装在第二伸缩机构的伸缩部伸出端底面的摄像头26和位于摄像头后侧的补光灯25，摄像头沿竖直方向向下设置，同时完成补光与图像采集过程，保证了相片质量的统一。摄像头26和补光灯25均与智能控制装置电连接。

本实施例通过将第一电机21、第二电机22第三电机11、第四电机20、第一光电传感器15、第二光电传感器24和角度传感器18均与智能控制装置10电性连接，智能控制装置可通过预先设置参数自动完成调距、拍照、检验图像质量、图片存储、参数存储功能。

使用本实施例多功能植物表型获取平台进行的植物表型获取方法，包括二维表型获取和三维表型获取；

二维表型获取包括如下步骤：

1、将待拍摄植株放于旋转平台，然后通过智能控制装置启动第一电机、第二电机和第四电机，分别将第一推杆、第二推杆和旋转球体调整到初始位置；

2、智能控制装置按照采集规则自动调整摄像头至合适位置，然后进行采集，智能控制装置对图像进行清晰度检验，若评定指标未达到设定阈值则按照采集规则对自动调距装置进行调整，直至所采集图像达到规定清晰度；

3、若图像清晰度达到设定阈值，则智能控制装置按照采集参数及拍摄次序对相片进行命名和保存，随后启动第四电机来调整摄像头朝向，并根据第四电机脉冲次数按比例调整第二电机，确保摄像头焦点始终聚焦在旋转平台中心；

4、摄像头继续进行拍摄，并在保存图片后重复步骤3直至第一推杆与第二推杆之间夹角小于45°或大于135°。

采集装置具体流程为，对获取的表型图像首先进行灰度处理，使用tenengrad梯度方法分别计算图像水平和竖直方向的梯度，对梯度的平均值m与设定好的阈值m进行对比，具体为：

a、若m小于m，则控制第一电机运行至接收到红外信号点后进行采集工作，再次对比m与m值的大小关系，如m不小于m则保存图像，若m仍小于m，则重复上述a中的步骤；

b、若m不小于m则保存图像。

三维表型获取包括如下步骤：

a、将待拍摄植株放于旋转平台，然后通过智能控制装置启动第一电机、第二电机和第四电机，分别将第一推杆、第二推杆和旋转球体调整到初始位置；

b、智能控制装置按照采集规则自动调整摄像头至合适位置，然后进行采集，智能控制装置对图像进行清晰度检验，若评定指标未达到设定阈值则按照采集规则对自动调距装置进行调整，直至所采集图像达到规定清晰度；

c、若图像清晰度达到设定阈值，则智能控制装置按照采集参数及拍摄次序对相片进行命名和保存，随后启动第四电机来调整摄像头朝向，并根据第四电机脉冲次数按比例调整第二电机，确保摄像头焦点始终聚焦在旋转平台中心；

d、摄像头继续进行拍摄，并在保存图片后重复步骤3直至第一推杆与第二推杆之间夹角小于45°或大于135°；

e、智能控制装置启动第三电机，控制旋转平台旋转；

f、摄像头按照设定时间间隔进行拍照并将图像传输至智能控制装置，待旋转平台转过360°后，重复步骤c、d。

当然，上述说明也并不仅限于上述举例，本发明未经描述的技术特征可以通过或采用现有技术实现，在此不再赘述；以上实施例及附图仅用于说明本发明的技术方案并非是对本发明的限制，参照优选的实施方式对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换都不脱离本发明的宗旨，也应属于本发明的权利要求保护范围。