專利名稱：野外昆蟲圖像自動采集裝置及其圖像采集方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種野外昆蟲圖像自動采集裝置，屬于圖像采集裝置技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
稻飛虱是一種遷飛性害蟲，生長繁殖快，危害程度大，容易造成水稻嚴(yán)重減產(chǎn)。根 據(jù)中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)，燈光誘測是《稻飛虱測報調(diào)查規(guī)范》(GB/T15794-1995)中的一 種。用200W白熾燈作標(biāo)準(zhǔn)光源，燈源高地面1. 5m，上方架設(shè)防雨罩，下方裝集蟲漏斗，漏斗 口下裝毒瓶。從早發(fā)年份的成蟲初見期前IOd開始，至常年終見期后IOd結(jié)束。每天天黑 前開燈，天明后關(guān)燈。逐日將誘得的成蟲計數(shù)，并區(qū)別種類。因此，獲取田間稻飛虱蟲口密 度是防治水稻受害的一項重要指標(biāo)。隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，根據(jù)稻飛虱圖像中的信息，自動鑒 定稻飛虱種類已成為可能。因此，需要一套野外稻飛虱圖像自動采集裝置，實時獲取昆蟲數(shù) 字圖像。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種野外稻飛虱等昆蟲圖像自動采集裝置，可 以實現(xiàn)實時獲取處于自然狀態(tài)下的昆蟲數(shù)字圖像，以便獲取田間稻飛虱蟲口密度，預(yù)防水 稻受害，也為科研、教學(xué)、生產(chǎn)實踐提供自然的昆蟲數(shù)字圖像。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種野外昆蟲圖像自動采集裝置，包括底座、采 集工作臺、拍攝系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，其特征在于所述采集工作臺沿X向設(shè)置于底座上，拍攝 系統(tǒng)沿Y向設(shè)置于底座上，所述拍攝系統(tǒng)包括攝像機(jī)、安裝于攝像機(jī)上的顯微變焦距鏡頭 及冷光源，所述控制系統(tǒng)包括相互連接的微控制器和PC機(jī)，所述微控制器通過X向進(jìn)給裝 置控制采集工作臺沿X向運動，微控制器通過采集工作臺上的幕布驅(qū)動裝置控制采集工作 臺幕布沿Z向滾動，所述攝像機(jī)與PC機(jī)相連。前述的野外昆蟲圖像自動采集裝置，其特征在于所述幕布驅(qū)動裝置包括設(shè)置在 采集工作臺上的主動輥，所述主動輥與幕布驅(qū)動裝置相連，從動輥與主動輥平行設(shè)置，采集 工作臺幕布作為傳送帶連接于主動輥與從動輥之間。前述的野外昆蟲圖像自動采集裝置，其特征在于所述采集工作臺幕布為白色的 確良幕布，且豎直布置。前述的野外昆蟲圖像自動采集裝置，其特征在于在所述主動輥與從動輥的外圓 周設(shè)有襯套。前述的野外昆蟲圖像自動采集裝置，其特征在于所述X向進(jìn)給裝置包括與微控 制器相連的采集工作臺驅(qū)動裝置，采集工作臺驅(qū)動裝置與絲桿直接相連，所述采集工作臺 兩側(cè)通過導(dǎo)軌副設(shè)置于底座上。前述的野外昆蟲圖像自動采集裝置，其特征在于所述拍攝系統(tǒng)包括拍攝光源和 攝像機(jī)，所述拍攝光源為環(huán)形冷光源，設(shè)置于光源支架上，所述攝像機(jī)設(shè)置于攝像機(jī)支架 上，所述光源支架和攝像機(jī)支架分別設(shè)置于光源工作臺和攝像機(jī)工作臺上。
前述的野外昆蟲圖像自動采集裝置，其特征在于在所述控制系統(tǒng)中，與攝像機(jī)相 連的圖像采集卡安裝在PC機(jī)的PCI插槽內(nèi)，PC機(jī)上安裝昆蟲圖像采集處理模塊，所述PC機(jī) 通過接口電平轉(zhuǎn)換芯片與微控制器相連。前述的野外昆蟲圖像自動采集裝置的圖像采集方法，其特征在于包括以下步 驟1)系統(tǒng)上電，利用微控制器的鍵盤手動分別調(diào)整幕布驅(qū)動裝置和采集工作臺驅(qū)動 裝置，使采集工作臺到達(dá)指定位置；2)每隔30分鐘，掃描采集一次圖像；3)每次采集圖像，采集工作臺沿X向位移50mm，向PC機(jī)發(fā)出信號，X向電機(jī)停止 ls，拍攝圖像；4)采集工作臺幕布沿Z向位移50mm，向PC機(jī)發(fā)出信號，Z向電機(jī)停止ls，拍攝圖 像，連續(xù)工作10次；5)采集工作臺X向位移50mm停止，執(zhí)行Z向工作，重復(fù)5次后采集工作臺返回初 始位置，每次圖像拍攝在采集工作臺停止后進(jìn)行，避免出現(xiàn)圖像殘缺現(xiàn)象；6)攝像機(jī)把圖像信息通過電纜輸入到圖像采集卡的圖像輸入端，PC機(jī)上運行圖 像捕捉程序，并按要求把圖片保存到指定位置。本發(fā)明所達(dá)到的有益效果本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，成本低，可實時采集獲取處于自然狀 態(tài)下的昆蟲數(shù)字圖像，以便獲取田間稻飛虱蟲口密度，預(yù)防水稻受害，也為科研、教學(xué)、生產(chǎn) 實踐提供自然的昆蟲數(shù)字圖像。


圖1為本發(fā)明的野外昆蟲圖像自動采集裝置系統(tǒng)工作示意圖
圖2為本發(fā)明的野外昆蟲圖像自動采集裝置整體結(jié)構(gòu)示意圖
圖3為X向進(jìn)給系統(tǒng)傳動簡圖4為X向絲桿進(jìn)給裝置結(jié)構(gòu)示意圖5為拍攝系統(tǒng)組成示意圖6為采集工作臺的結(jié)構(gòu)示意圖7為本發(fā)明中微控制器的應(yīng)用系統(tǒng)；
圖8為7SH20403聯(lián)線圖9為KA-022W8聯(lián)線圖10為本發(fā)明的控制流程圖11為PC機(jī)與微控制器串口通信硬件圖12為圖像采集卡工作原理框圖13為拍攝系統(tǒng)程序框圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。野外昆蟲圖像自動采集裝置主要由控制系統(tǒng)、采集工作臺、X向進(jìn)給裝置和拍攝系 統(tǒng)構(gòu)成，如圖1所示。根據(jù)稻飛虱等昆蟲的撲光性，選用160W自鎮(zhèn)流熒光高壓汞燈將稻飛
4虱誘集到白色的確良幕布上，采集其數(shù)字圖像；控制系統(tǒng)控制幕布驅(qū)動裝置和X向進(jìn)給裝 置的運動，實現(xiàn)白色幕布X向和Z向運動，每隔一定時間，實時掃描拍攝多幅圖像；拍攝系統(tǒng) 通過環(huán)形冷光源和攝像機(jī)獲取稻飛虱等昆蟲圖像反饋給計算機(jī)，進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)分析處理。圖3為X向進(jìn)給裝置傳動簡圖。所述X向進(jìn)給裝置包括與微控制器相連的采集工 作臺驅(qū)動裝置21，采集工作臺驅(qū)動裝置21與絲桿22直接相連，所述采集工作臺兩側(cè)通過導(dǎo) 軌副設(shè)置于底座100上。采集工作臺驅(qū)動裝置所用電機(jī)為兩相混合式步進(jìn)電動機(jī)。微控制 器驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)與絲桿直連，絲杠帶動采集工作臺將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動， 實現(xiàn)橫向進(jìn)給。圖4為X向絲桿進(jìn)給裝置結(jié)構(gòu)示意圖，本發(fā)明的圖像數(shù)控采集裝置轉(zhuǎn)速中等，精度 要求一般，絲杠采用兩端支撐結(jié)構(gòu)。導(dǎo)軌副保證采集工作臺的正確運動軌跡。該裝置中速中精度，負(fù)載較小，主要起導(dǎo) 向作用，選擇車屜滑軌。采集工作臺主要由幕布驅(qū)動裝置11、主動輥12、從動輥13、采集圖像工作臺幕布 14及機(jī)架15等組成，如圖6所示。根據(jù)稻飛虱等昆蟲的撲光性，選用160W自鎮(zhèn)流熒光高 壓汞燈將稻飛虱誘集到白色的的確良采集工作臺幕布上。經(jīng)過實驗，采集工作臺幕布使用 的確良白布，一方面可以采集到自然狀態(tài)下稻飛虱的樣本圖像；另一方面，圖像背景顏色單 一，方便以后圖像處理。幕布驅(qū)動裝置是采集工作臺幕布帶式傳動的動力來源，采用步進(jìn)電 機(jī)，由輸入步進(jìn)電機(jī)脈沖頻率決定轉(zhuǎn)速，步進(jìn)電機(jī)選用PX245-11A。傳動滾筒采用軸作為主動輥，傳動軸上覆蓋摩擦系數(shù)較大的襯套，增大表面摩擦 系數(shù)，增大摩擦力提高傳動裝置的牽引力，步進(jìn)電機(jī)與傳動軸直連，傳遞動力，采集工作臺 幕布帶動從動輥。從動輥亦采用軸，表面覆蓋摩擦系數(shù)較大的襯套。鑒于該裝置的小扭矩， 直接采用采集工作臺幕布傳動，幕布采用機(jī)械接頭，可拆卸。同時幕布作為采集稻飛虱等昆 蟲的屏幕，分區(qū)采集圖像大小約為50mmX50mm，幕布大小250mmX500mm。拍攝系統(tǒng)基本硬件主要有環(huán)形冷光源31和攝像機(jī)32，安裝在光源工作臺102和攝 像機(jī)工作臺101上，構(gòu)成拍攝系統(tǒng)，如圖2所示。圖5為拍攝系統(tǒng)組成示意圖，野外拍攝光 源采用0PT-DP1024-4HT環(huán)形冷光源。該冷光源具有細(xì)膩柔和、明晰、無陰影、無斑痕的照明 效果，借助環(huán)形冷光源和攝像機(jī)可采集清晰高質(zhì)量的稻飛虱等昆蟲圖像。冷光源支架33由 兩銜鐵架組合而成，占用空間小，通過螺栓連接，可上下調(diào)整光源高度，前后調(diào)整光源距離， 且可以360°旋轉(zhuǎn)光源，實現(xiàn)多距離多角度隨意調(diào)整，利于圖像采集和拍攝。攝像機(jī)為彩色數(shù)字?jǐn)z像機(jī)，采用CCD攝像機(jī)有以下優(yōu)點數(shù)字信號是加工信號，加 工信號對于有雜波和易產(chǎn)生失真的外部環(huán)境和電路條件來說，具有較好的穩(wěn)定性。攝像機(jī) 支架34由螺栓連接的三部分組成(圖5)，可上下調(diào)整攝像機(jī)高度，且可以180°旋轉(zhuǎn)攝像 機(jī)。攝像機(jī)用螺栓連接于支架上，整體支架簡潔易操作。環(huán)形冷光源及冷光源支架安裝在光源工作臺102上，通過兩邊導(dǎo)軌上方的螺栓調(diào) 節(jié)距離；攝像機(jī)及攝像機(jī)支架安裝在攝像機(jī)工作臺101上，通過絲杠螺母微調(diào)攝像機(jī)工作 臺前后距離，進(jìn)而實現(xiàn)攝像機(jī)與光源和幕布之間距離的微調(diào)。光源工作臺102和攝像機(jī)工 作臺101安裝在底座100上(圖2)。采集圖像尺寸統(tǒng)一為標(biāo)準(zhǔn)的768*576像素，工作距離為190mm，放大倍率為0. 3X。 攝像機(jī)與采集工作臺幕布之間初定距離190mm，水平角度采集，拍攝系統(tǒng)可進(jìn)行拍攝角度的調(diào)整和拍攝距離的微調(diào)。角度調(diào)整調(diào)節(jié)攝像機(jī)和光源支架，CXD攝像機(jī)可進(jìn)行90°調(diào)整，環(huán)形光源可進(jìn)行 360°調(diào)整，攝像機(jī)支架和光源支架通過螺栓位置調(diào)整可改變上下位置，實現(xiàn)拍攝角度的調(diào)
iF. ο距離調(diào)整攝像機(jī)與采集工作臺幕布之間的距離為190mm，可通過末端絲杠手動 微調(diào)攝像機(jī)與采集工作臺幕布的距離，同時可以通過螺栓調(diào)整光源工作臺，調(diào)整環(huán)形光源 與采集工作臺幕布的距離，實現(xiàn)昆蟲樣本圖像的清晰采集。圖10為自動拍攝系統(tǒng)控制框圖，控制系統(tǒng)由PC機(jī)、微控制器、彩色攝像機(jī)32(圖 2)、冷光源31、圖像采集卡、驅(qū)動器等組成，實現(xiàn)野外昆蟲圖像采集裝置自動運行，掃描拍攝 多幅圖像。微控制器控制采集工作臺X向、采集工作臺幕布Z向運動，彩色攝像機(jī)獲取數(shù)字 圖像。微控制器是將微型計算機(jī)的主要部分集成在一個芯片上的單片微型計算機(jī)。微控 制器選用AT89C52，其構(gòu)成野外昆蟲圖像自動采集裝置驅(qū)動控制的最小應(yīng)用系統(tǒng)，如圖7所
7J\ οAT89C52是一種低損耗、高性能CMOS八位微控制器，8K字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM， 32位I/O線，三個16位定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串口，支持2種 可選擇節(jié)電模式的軟件。裝置控制的實現(xiàn)系統(tǒng)上電，利用鍵盤分別調(diào)整X、Z向電機(jī)，使其到達(dá)指定位置。AT89C52微控制器 的定時器/計數(shù)器O工作在方式1，16位計數(shù)器；定時器/計數(shù)器1工作在方式2，自動重裝 入初值的8位計數(shù)器；串行口工作在方式2，9位通用異步接收器/發(fā)送器，波特率為9600 ； 系統(tǒng)開中斷。裝置每隔30分鐘，采集一次圖像。采集工作臺幕布大小250mmX500mm，圖像采集 區(qū)大小約為50mmX50mm。采集工作臺幕布Z向位移50mm，向PC機(jī)發(fā)出信號，Z向電機(jī)停止 ls，拍攝圖像，連續(xù)工作10次。采集工作臺X向位移50mm停止，執(zhí)行Z向工作，重復(fù)5次后 采集工作臺返回初始位置。每次圖像拍攝在采集工作臺停止后進(jìn)行，避免出現(xiàn)圖像殘缺現(xiàn) 象。裝置驅(qū)動控制流程如圖10所示。自動拍攝系統(tǒng)由環(huán)形冷光源、彩色攝像機(jī)、顯微變焦距鏡頭、圖像采集卡、PC機(jī)等 組成。光源配置于采集工作臺幕布與攝像頭之間，CCD攝像頭安裝在采集工作臺幕布的光 源前方，上下、左右可調(diào)，圖像采集卡安裝在PC機(jī)的PCI插槽內(nèi)，PC機(jī)上安裝稻飛虱等昆蟲 圖像采集及其它軟件。天黑前，開啟160W自鎮(zhèn)流熒光高壓汞燈，誘集田間昆蟲包括稻飛虱爬附在的確良 白布的采集工作臺幕布上。每隔一定時間，自動啟動拍攝系統(tǒng)，完成整個采集工作臺幕布的 數(shù)字圖像拍攝工作。CCD攝像機(jī)把圖像信息通過電纜輸入到圖像采集卡的圖像輸入端，PC 機(jī)上運行圖像捕捉程序，并按要求把圖片保存到指定位置。由于PC機(jī)采用的是RS-232C標(biāo)準(zhǔn)信號，而AT89C52單片機(jī)采用的是TTL電平信 號，所以在進(jìn)行串行通信時，必須進(jìn)行接口電平轉(zhuǎn)換。采用具有雙向轉(zhuǎn)換功能的MAX232芯 片(圖11)，9、10引腳是TTL電平端，連接單片機(jī)串行口。視頻圖像采集卡選自中國大恒(集團(tuán))有限公司，型號為DH-CG410。它具有使用靈活、集成度高、功耗低等特點，由于采用的是PCI總線，所采集的圖像數(shù)據(jù)傳輸基本不占 用CPU時間，并可將圖像直接傳送到計算機(jī)內(nèi)存或顯存。視頻圖像經(jīng)多路切換器、解碼器、A/D變換器，將數(shù)字化的圖像數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)緩沖 器。經(jīng)剪裁、比例壓縮及數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換后，由內(nèi)部控制圖像覆蓋與數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)傳輸目標(biāo) 位置由軟件確定，可以是顯存，也可以是計算機(jī)內(nèi)存。DH-CG410視頻圖像采集的工作原理框 圖如圖12所示。AT89C52串行口是一個全雙工的異步串行通信接口，可以同時發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。串行口控制寄存器SCON 特殊功能寄存器SCON是存放串行口的控制和狀態(tài)信息， 具有位尋址功能，其格式如表1所示。表1串行口控制寄存器
權(quán)利要求
一種野外昆蟲圖像自動采集裝置，包括底座、采集工作臺、拍攝系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，其特征在于所述采集工作臺沿X向設(shè)置于底座上，拍攝系統(tǒng)沿Y向設(shè)置于底座上，所述拍攝系統(tǒng)包括攝像機(jī)、安裝于攝像機(jī)上的顯微變焦距鏡頭及冷光源，所述控制系統(tǒng)包括相互連接的微控制器和PC機(jī)，所述微控制器通過X向進(jìn)給裝置控制采集工作臺沿X向運動，微控制器通過采集工作臺上的幕布驅(qū)動裝置控制采集工作臺幕布沿Z向滾動，所述攝像機(jī)與PC機(jī)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的野外昆蟲圖像自動采集裝置，其特征在于所述幕布驅(qū)動裝 置包括設(shè)置在采集工作臺的主動輥，所述主動輥與幕布驅(qū)動裝置相連，從動輥與主動輥平 行設(shè)置，采集工作臺幕布作為傳送帶連接于主動輥與從動輥之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的野外昆蟲圖像自動采集裝置，其特征在于所述采集工作臺 幕布為白色的確良幕布，且豎直布置。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的野外昆蟲圖像自動采集裝置，其特征在于在所述主動輥與 從動輥的外圓周設(shè)有襯套。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的野外昆蟲圖像自動采集裝置，其特征在于所述X向進(jìn)給裝 置包括與微控制器相連的采集工作臺驅(qū)動裝置，采集工作臺驅(qū)動裝置與絲桿直接相連，所 述采集工作臺兩側(cè)通過導(dǎo)軌副設(shè)置于底座上。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的野外昆蟲圖像自動采集裝置，其特征在于所述拍攝系統(tǒng)包 括拍攝光源和攝像機(jī)，所述拍攝光源為環(huán)形冷光源，設(shè)置于光源支架上，所述攝像機(jī)設(shè)置于 攝像機(jī)支架上，所述光源支架和攝像機(jī)支架分別設(shè)置于光源工作臺和攝像機(jī)工作臺上。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的野外昆蟲圖像自動采集裝置，其特征在于在所述控制系統(tǒng) 中，與攝像機(jī)相連的圖像采集卡安裝在PC機(jī)的PCI插槽內(nèi)，PC機(jī)上安裝昆蟲圖像采集處理 模塊，所述PC機(jī)通過接口電平轉(zhuǎn)換芯片與微控制器相連。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的野外昆蟲圖像自動采集裝置的圖像采集方法，其特征在于 包括以下步驟1)系統(tǒng)上電，利用微控制器的鍵盤手動分別調(diào)整幕布驅(qū)動裝置和采集工作臺驅(qū)動裝 置，使采集工作臺到達(dá)指定位置；2)每隔30分鐘，掃描采集一次圖像；3)每次采集圖像，采集工作臺沿X向位移50mm，向PC機(jī)發(fā)出信號，X向電機(jī)停止ls，拍 攝圖像；4)采集工作臺幕布沿Z向位移50mm，向PC機(jī)發(fā)出信號，Z向電機(jī)停止ls，拍攝圖像，連 續(xù)工作10次；5)采集工作臺X向位移50mm停止，執(zhí)行Z向工作，重復(fù)5次后采集工作臺返回初始位 置，每次圖像拍攝在采集工作臺停止后進(jìn)行，避免出現(xiàn)圖像殘缺現(xiàn)象；6)攝像機(jī)把圖像信息通過電纜輸入到圖像采集卡的圖像輸入端，PC機(jī)上運行圖像捕 捉程序，并按要求把圖片保存到指定位置。
全文摘要
本發(fā)明公開了野外昆蟲圖像自動采集裝置及其圖像采集方法，包括底座、采集工作臺、拍攝系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，其特征在于所述采集工作臺沿X向設(shè)置于底座上，拍攝系統(tǒng)沿Y向設(shè)置于底座上，所述拍攝系統(tǒng)包括攝像機(jī)、安裝于攝像機(jī)上的顯微變焦距鏡頭及冷光源，所述控制系統(tǒng)包括相互連接的微控制器和PC機(jī)，所述微控制器通過X向進(jìn)給裝置控制采集工作臺沿X向運動，微控制器通過采集工作臺上的幕布驅(qū)動裝置控制采集工作臺幕布沿Z向滾動，所述攝像機(jī)與PC機(jī)相連。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，成本低，可實時采集獲取處于自然狀態(tài)下的昆蟲數(shù)字圖像，以便為科研、教學(xué)、生產(chǎn)實踐提供自然的昆蟲數(shù)字圖像。
文檔編號G03B15/05GK101977282SQ201010244789
公開日2011年2月16日 申請日期2010年8月4日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月4日
發(fā)明者丁為民, 劉德營, 康敏, 胡春林 申請人:南京農(nóng)業(yè)大學(xué)