基于高光譜成像的整株水稻葉綠素含量測(cè)量裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及機(jī)器視覺檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種基于高光譜成像的整株水稻葉綠 素含量測(cè)量裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 水稻是中國的主要糧食作物，解決糧食問題主要依靠提高水稻的單產(chǎn)。水稻表型 參數(shù)的高通量數(shù)字化測(cè)量為篩選和鑒定水稻品種提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。在水稻表型測(cè) 量研究中，葉綠素含量是一個(gè)非常重要的指標(biāo)。它是植物細(xì)胞組成的基本物質(zhì)，廣泛的分布 在細(xì)胞的葉綠體中，是植物進(jìn)行光合作用的最基本色素，并且與植物的營養(yǎng)吸收密切相關(guān)， 被廣泛作為檢測(cè)植物狀態(tài)的重要指示因子。如何快速、準(zhǔn)確和方便的測(cè)量植物葉片葉綠素 含量，對(duì)于遺傳育種和作物栽培研究具有十分重要的意義。目前葉綠素的測(cè)量方法主要分 為直接測(cè)量方法和間接測(cè)量法。直接測(cè)量方法主要是使用分光光度法，對(duì)植物有損，且操作 繁瑣，不適用于高通量大規(guī)模在線檢測(cè)平臺(tái)上。間接測(cè)量法則利用了色素的生物化學(xué)特點(diǎn)， 主要有光譜指數(shù)法和便攜式葉綠素儀法。很多光譜指數(shù)不具有適應(yīng)性，測(cè)量結(jié)果可推廣性 差。且一般獲取光譜指數(shù)的方法是是使用分光輻射度計(jì)或者多光譜，數(shù)據(jù)較少，分辨率較 低。便攜式葉綠素儀則需直接與葉片接觸，不適用于高通量表型在線檢測(cè)平臺(tái)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是為了克服上述不足提供一種基于高光譜成像的整株水稻葉綠素 含量測(cè)量裝置及方法。
[0004] -種基于高光譜成像的整株水稻葉綠素含量測(cè)量裝置，包括用于提供穩(wěn)定的成像 環(huán)境的暗室、第一光源、第二光源、用于調(diào)整第一光源和第二光源的亮度和發(fā)散角度的光源 控制器、工作站計(jì)算機(jī)、高光譜相機(jī)、第一接近開關(guān)、第二接近開關(guān)、平移臺(tái)以及平移臺(tái)控制 器，所述高光譜相機(jī)、第一光源、第二光源、第一接近開關(guān)、第二接近開關(guān)以及平移臺(tái)均位于 暗室內(nèi)，所述第一光源和第二光源均與光源控制器相連，所述平移臺(tái)與平移臺(tái)控制器相連， 所述第一接近開關(guān)、第二接近開關(guān)、高光譜相機(jī)、平移臺(tái)控制器以及光源控制器均與工作站 計(jì)算機(jī)相連。
[0005] 基于高光譜成像的整株水稻葉綠素含量測(cè)量方法包括以下步驟：
[0006] 001、建立高光譜成像系統(tǒng)；
[0007] 002、使用所述的高光譜成像系統(tǒng)采集每盆水稻的光譜數(shù)據(jù)；
[0008] 003、人工測(cè)量每盆水稻的葉綠素含量；
[0009] 004、根據(jù)步驟002和步驟003得到數(shù)據(jù)，由工作站計(jì)算機(jī)3對(duì)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行處理， 提取光譜指數(shù)，對(duì)葉綠素和光譜指數(shù)進(jìn)行建模，得到葉綠素的預(yù)測(cè)模型，在之后的實(shí)驗(yàn)中， 只需拍攝光譜數(shù)據(jù)，即可計(jì)算得到整株水稻的葉綠素含量。
[0010] 所述步驟001包括以下步驟：
[0011] 011、裝配好所述的測(cè)量裝置，計(jì)算物距和平移臺(tái)的移動(dòng)速度，物距的計(jì)算公式為
(其中f為相機(jī)焦距，H為需要拍攝的像平面物體高度，h為相機(jī)CCD的高度，L為物距），如果需要拍攝無形變的物體，則平移臺(tái)在相機(jī)采集完當(dāng)前幀需要移動(dòng)的距離為
(其中H為需要拍攝的像平面物體高度，Nh為相機(jī)CCD在高度方向的像素個(gè) 數(shù)），此時(shí)平移臺(tái)的移動(dòng)速度為
，如果需要拍攝無冗余數(shù)據(jù)的物 體，則平移臺(tái)需要移動(dòng)的距離，
（其中S為相機(jī)狹縫寬度，w為相機(jī)CCD單個(gè) 像素的寬度），此時(shí)平移臺(tái)的移動(dòng)速度為
[0012] 012、設(shè)置高光譜相機(jī)的參數(shù)，由于曝光時(shí)間和單幀重復(fù)次數(shù)對(duì)系統(tǒng)采集速度的影 響最大，空間分辨率對(duì)采集速度無影響，所以保持高光譜相機(jī)在空間方向最大分辨率。
[0013] 所述步驟002包括以下步驟：
[0014] 021、打開光源控制器、平移臺(tái)控制器、高光譜相機(jī)和工作站計(jì)算機(jī)；
[0015] 022、使用高光譜相機(jī)拍攝暗電流Ib和白板I"數(shù)據(jù)；
[0016] 023、將盆栽水稻置于平移臺(tái)上，并控制平移臺(tái)勻速移動(dòng)，高光譜相機(jī)開始拍攝， EMCCD輸出的原始灰度數(shù)據(jù)為L，將采集到的原始灰度數(shù)據(jù)進(jìn)行暗電流和白板校正，最后 系統(tǒng)保存的數(shù)據(jù)為I，即物體的反射率
并將校正后的結(jié)果不斷存入二進(jìn)制數(shù)據(jù) 流；
[0017] 024、拍攝完一株盆栽水稻后，平移臺(tái)回到原點(diǎn)，同時(shí)檢查步驟023中的緩存數(shù)據(jù) 是否全部存儲(chǔ)完畢；
[0018] 025、將新的樣本重復(fù)步驟023和024。
[0019] 所述步驟003包括以下步驟：
[0020] 031、將整株水稻的每片葉片取下；
[0021] 032、使用葉綠素含量測(cè)定儀測(cè)量每片葉片的葉綠素含量，對(duì)每片葉片的同一個(gè)區(qū) 域測(cè)量兩次；
[0022] 033、計(jì)算整株水稻的所有葉片測(cè)量值的平均值，作為被測(cè)整株水稻的葉綠素含 量。
[0023] 6.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的基于高光譜成像的整株水稻葉綠素含量測(cè)量方法， 其特征在于所述步驟004包括以下步驟：
[0024] 041、將步驟023中的二進(jìn)制數(shù)據(jù)流重新整合提取為不同波長下的圖像；
[0025] 042、取步驟041其中的一張圖像進(jìn)行圖像處理，提取出圖像的感興趣區(qū)域R0I，并 圖像的感興趣區(qū)域R0I應(yīng)用步驟041的所有圖像上，得到一批只有感興趣區(qū)域R0I的各波 長圖像；
[0026] 043、計(jì)算步驟042中各波長圖像下的光譜指數(shù)；
[0027] 044、將步驟043中得到的光譜指數(shù)作為自變量，葉綠素含量測(cè)定儀測(cè)到的葉綠素 含量作為因變量，進(jìn)行逐步回歸分析，得到葉綠素的預(yù)測(cè)模型并進(jìn)行驗(yàn)證；
[0028] 045、采集新樣本的光譜指數(shù)，根據(jù)將步驟044的葉綠素預(yù)測(cè)模型來計(jì)算新樣本的 葉綠素含量。
[0029] 本發(fā)明利用高光譜成像的方法，用數(shù)據(jù)分析和圖像處理技術(shù)處理所拍攝的光譜數(shù) 據(jù)，經(jīng)過分析得到整株水稻的葉綠素含量。無需再對(duì)水稻進(jìn)行化學(xué)分析方法或單片葉相夾 的方法來得到葉綠素含量，將采集、提取、計(jì)算等步驟集成到同一個(gè)系統(tǒng)中，具有在線無損、 測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確可靠、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)。
【附圖說明】
[0030] 圖1為本發(fā)明裝置俯視結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031] 圖2為高光譜相機(jī)各項(xiàng)設(shè)置參數(shù)對(duì)相機(jī)采集速度的影響；
[0032] 圖3為高光譜相機(jī)的采集流程圖；
[0033] 圖4為高光譜相機(jī)采集時(shí)的時(shí)序圖；
[0034] 圖5為高光譜相機(jī)保存的二進(jìn)制數(shù)據(jù)流內(nèi)部格式。
【具體實(shí)施方式】
[0035] 下面結(jié)合附圖及實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明。
[0036] 實(shí)施例：本發(fā)明基于高光譜成像的整株水稻葉綠素含量測(cè)量裝置，包括用于提供 穩(wěn)定的成像環(huán)境的暗室1、第一光源6、第二光源7、用于調(diào)整第一光源6和第二光源7的 亮度和發(fā)散角度的光源控制器2、工作站計(jì)算機(jī)3、高光譜相機(jī)5、第一接近開關(guān)8、第二 接近開關(guān)9、平移臺(tái)10以及平移臺(tái)控制器4,所述高光譜相機(jī)5、第一光源6、第二光源7、 第一接近開關(guān)8、第二接近開關(guān)9以及平移臺(tái)10均位于暗室1內(nèi)，所述第一光源6和第 二光源7均與光源控制器2相連，所述平移臺(tái)10與平移臺(tái)控制器4相連，所述第一接近 開關(guān)8、第二接近開關(guān)9、高光譜相機(jī)5、平移臺(tái)控制器4以及光源控制器2均與工作站計(jì) 算機(jī)3相連。高光譜相機(jī)5的品牌型號(hào)信息為Hyperspec? VNIR，with EMCCD，Headwall Photonics, USA, 400-1000nm。工作站計(jì)算機(jī)3用于數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)和分析。除平移臺(tái)10的 載物臺(tái)可移動(dòng)，其他所有裝置均固定。
[0037] 基于高光譜成像的整株水稻葉綠素含量測(cè)量方法包括以下步驟：
[0038] 001、建立高光譜成像系統(tǒng)；002、使用所述的高光譜成像系統(tǒng)采集每盆水稻的光譜 數(shù)據(jù)；003、人工測(cè)量每盆水稻的葉綠素含量；004、根據(jù)步驟002和步驟003得到數(shù)據(jù)，由工 作站計(jì)算機(jī)3對(duì)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提取光譜指數(shù)，對(duì)葉綠素和光譜指數(shù)進(jìn)行建模，得到葉 綠素的預(yù)測(cè)模型。在之后的實(shí)驗(yàn)中，只需拍攝光譜數(shù)據(jù)，即可計(jì)算得到整株水稻的葉綠素含 量。
[0039] 基于高光譜成像的整株水稻葉綠素含量測(cè)量方法，所述步驟001包括以下步 驟：〇11、裝配好所述的測(cè)量裝置，計(jì)算物距和平移臺(tái)10的移動(dòng)速度，物距的計(jì)算公式為 Z 其中f為相機(jī)焦距，H為需要拍攝的像平面物體高度，h為相機(jī)CCD的高度，L為 n 物距，如果需要拍攝無形變的物體，則平移臺(tái)10在相機(jī)采集完當(dāng)前幀需要移動(dòng)的距離為 //?<9F (其中H為需要拍攝的像平面物體高度，Nh為相機(jī)CCD在高度方向的像素個(gè) .'h 數(shù)），此時(shí)平移臺(tái)的移動(dòng)速度為
，如果需要拍攝無冗余數(shù)據(jù)的物 體，則平移臺(tái)10需要移動(dòng)的距離為i= (其中S為相機(jī)狹縫寬度，W為相機(jī)(XD 單個(gè)像素的寬度），此時(shí)平移臺(tái)的移動(dòng)速度為
其中，實(shí)際曝光 時(shí)間、單幀采集時(shí)間和單次采集時(shí)間需通過高光譜相機(jī)5驅(qū)動(dòng)計(jì)算歸一化值。如果設(shè)置的 曝光時(shí)間、單幀采集時(shí)間和單次采集時(shí)間大于或等于允許值，高光譜相機(jī)5將會(huì)使用設(shè)置 值進(jìn)行后續(xù)的步驟；如果設(shè)置的曝光時(shí)間和單幀采集時(shí)間設(shè)置小于允許值或其他不可能的 值，例如忘了設(shè)置的時(shí)候值為0這種情況，這時(shí)高光譜相機(jī)5驅(qū)動(dòng)會(huì)根據(jù)設(shè)置值自動(dòng)分配一 個(gè)最接近的值，這是高光譜相機(jī)5廠家自帶的功能；012、設(shè)置高光譜相機(jī)5的參數(shù)，由于曝 光時(shí)間和單幀重復(fù)次數(shù)對(duì)系統(tǒng)采集速度的影響最大，空間分辨率對(duì)采集速度無影響，所以 保持高光譜相機(jī)5在空間方向最大分辨率。高光譜相機(jī)5需要設(shè)置的參數(shù)包括圖像讀取模 式、觸發(fā)模式、圖像大小、采集模式、單幀重復(fù)次數(shù)、快門模式、快門時(shí)間、曝光時(shí)間、單幀采 集時(shí)間、采集次數(shù)和單次采集時(shí)間，其中，圖像大小又包括橫向合并和縱向合并，橫向合并 與光譜分辨率相關(guān)，縱向合并與空間分辨率相關(guān)，合并越大，分辨率會(huì)越小。經(jīng)過程序計(jì)算 和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，曝光時(shí)間和單幀重復(fù)次數(shù)對(duì)系統(tǒng)采集速度的影響最大，空間分辨率對(duì)采集速 度無影響，如圖2所示，這意味著我們可以保持相機(jī)在空間方向最大分辨率情況下而又不 會(huì)增加采集時(shí)間。光譜分辨率相對(duì)于曝光時(shí)間而言，對(duì)采集速度影響較小。同理，較小的曝 光時(shí)間有更高的采集速度，但同時(shí)，如果曝光時(shí)間過小，得到的圖像質(zhì)量會(huì)非常差，對(duì)后續(xù) 分析會(huì)造成很大的困難。根據(jù)這些關(guān)系，可以對(duì)相機(jī)進(jìn)行合理的控制，