糧倉內(nèi)部害蟲的機器視覺檢測設備及計數(shù)方法與流程

本發(fā)明涉及糧倉內(nèi)部害蟲的機器視覺檢測設備及計數(shù)方法。屬于糧食倉儲中的檢測技術領域，尤其是一種糧倉內(nèi)害蟲的機器視覺檢測設備及害蟲計數(shù)方法。

背景技術：

隨著科技的發(fā)展，機器視覺技術在各個領域已經(jīng)得到越來越廣泛的應用。全世界每年由于蟲害而損失的糧食高達10％，對害蟲情況的準確預測可以大大的減少糧食的損失，害蟲準確預測的條件是準確的獲取害蟲的數(shù)量。國內(nèi)對糧食倉儲的害蟲檢測方法有探管和誘捕器法、信息素誘集法、燈光誘集法、聲測法、電導率檢測法、近紅外反射光譜識別法、軟x-射線成像識別法。

糧倉內(nèi)部害蟲的機器視覺檢測能夠在線直觀觀察害蟲圖像，同時對害蟲的計數(shù)，由于其圖像的相互粘連影響了計數(shù)的結果，如何對圖像粘連害蟲進行準確分割是害蟲計數(shù)的前提。模糊c均值算法、k-means聚類算法、分水嶺算法都能夠較好的將害蟲從背景中分割出來，但對粘連害蟲分割的問題卻不能很好的解決。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術問題是：克服現(xiàn)有技術中由于糧倉害蟲不能夠在線以圖像方式檢測觀察及計數(shù)的難題，提供一種糧倉內(nèi)部害蟲的機器視覺檢測設備及害蟲計數(shù)方法，實現(xiàn)了誤差小、速度快、成本低、效率高的害蟲在線檢測及計數(shù)。

本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是：糧倉內(nèi)部害蟲的機器視覺檢測設備及計數(shù)方法，依次包括害蟲誘捕器、誘捕器中蟲洞入口、誘捕器內(nèi)的白色落蟲板、捕蟲器內(nèi)部傳感器檢測電路、采集圖像的攝像頭模塊、補光led燈、采集的圖像數(shù)據(jù)進行傳輸?shù)膱D像傳輸單元以及監(jiān)控中心、采集回來的害蟲圖像分割計數(shù)算法。

所述的害蟲誘捕器由光滑的合金圓管制成，其表面有蟲洞入口。

為了更好的捕獲糧倉害蟲，所述的誘捕器蟲洞入口呈光滑斜口式，所述的白色落蟲板由步進電機控制能夠?qū)崿F(xiàn)自動翻轉。所述的補光led燈置于攝像頭模塊表面，便于攝像頭更清晰的獲取圖像數(shù)據(jù)。

所述的傳感器檢測電路主要包括檢測電極和電容檢測電路。當害蟲經(jīng)過檢測電極之間時，電容值將發(fā)生變化，檢測到有害蟲進入捕蟲器。

所述的檢測電極采用的是兩個相互絕緣的金屬材料。

為了便于害蟲順利的從蟲洞入口掉到落蟲板上面，所述的攝像頭模塊大小為1/4英寸，置于誘捕器內(nèi)部，檢測電極旁，這樣放置將不會影響害蟲的掉落。

所述的害蟲圖像分割計數(shù)算法采用改進的凹點檢測與精確分割點定位算法實現(xiàn)害蟲準確分割，能夠準確的將粘連害蟲分割開來，實現(xiàn)準確的計數(shù)。

所述的采集圖像數(shù)據(jù)進行傳輸?shù)膱D像傳輸單元包括將緩存的圖像數(shù)據(jù)從攝像頭模塊通過無線模塊傳送至集中器，最后通過rs485總線將圖像數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)控中心。在此，集中器與監(jiān)控中心之間的通信不限于rs485總線，也包括其它有線與無線通信方式。

所述的害蟲圖像分割計數(shù)算法主要包括粘連害蟲的判定、凹點檢測、精確分割點定位以及害蟲計數(shù)。

所述的粘連害蟲的判定通過形狀因子和單個害蟲像素面積確定粘連害蟲區(qū)域。通過凹點檢測、分離點以及單個害蟲像素面積進行準確分割點定位。

一種所述的糧倉儲糧內(nèi)害蟲的機器視覺檢測設備及害蟲計數(shù)方法具有如下步驟：

①對整個系統(tǒng)進行初始化。

②有害蟲掉進捕蟲器時，傳感器檢測電路檢測到害蟲，害蟲掉進捕蟲器經(jīng)過兩個相互絕緣的檢測電極時，電容將發(fā)生變化，通過電容的變化可以判斷是否有害蟲進入捕蟲器。

③處理器發(fā)出信號打開補光led燈，攝像頭模塊獲取圖像并緩存。

④將獲取的圖像數(shù)據(jù)通過無線模塊發(fā)送至集中器，集中器通過rs485總線將圖像數(shù)據(jù)傳送至監(jiān)控中心并自動保存。

⑤通過形狀因子和單個害蟲像素面積來判斷圖像中害蟲的粘連情況。

⑥通過最小外接矩對粘連區(qū)域進行提取。

⑦采用改進的凹點檢測和分離點對分割點進行準確的定位。

⑧畫出分割線，通過連通域標記計算出圖中害蟲的數(shù)量。

步驟①中，整個系統(tǒng)的初始化包括上電復位、圖像傳感器的初始化以及初始化自動對焦。

步驟②中，由于糧倉害蟲具有介電常數(shù)，根據(jù)公式(ε為極板間介電常數(shù)，s為極板面積，d為極板間距離)。當害蟲掉入捕蟲器時經(jīng)過兩塊電極板之間時，極板間的介電常數(shù)發(fā)生變化，電容值也將發(fā)生變化，此時可以判定有害蟲掉進捕蟲器。

步驟③中，使用cpld+sdram的方式來采集和緩存圖像。首先通過cpld采集害蟲圖像，然后將采集到的整張圖像數(shù)據(jù)緩存到sdram中，再使用spi分段讀取圖像數(shù)據(jù)。

步驟⑤中，形狀因子的計算公式為：(s表示害蟲連通域的像素面積，c表示對應連通域的邊緣周長)。判斷原理為：當面積相同時，粘連害蟲的凹陷程度越大，其周長也就變得越大，因此t就會變得越小。當害蟲處于單個狀態(tài)時，閾值t就會偏大。當出現(xiàn)多個害蟲粘連時，就會出現(xiàn)多個凹陷點，此時周長會相應的增大，t值就會偏小。

步驟⑤中，當個害蟲像素面積范圍為:smin-ε<si<smax+ε，其中(ε＜＜smin)，smax為樣本中害蟲的最大面積，smin為樣本中害蟲的最小面積，為樣本中害蟲的平均像素面積，公式為(m為隨機抽取的害蟲個數(shù))。

步驟⑦中，凹點檢測的方法為：首先通過像素相似原理初步選出候選角點，在候選角點中提取出凹點，對這些凹點進行非極大值抑制，找出真正的凹點。分離點確定的方法：對二值化后的粘連害蟲進行逐層腐蝕，并用連通域?qū)φ尺B區(qū)域進行實時標記，當連通域個數(shù)正好減少的那一次，說明有粘連害蟲發(fā)生分離，返回上一次腐蝕圖，對該圖的輪廓進行遍歷，尋找存在遍歷兩次的點，該點即為分離點。

步驟⑦中，分割點定位的方法為：分別計算凹點與分離點的距離，找出距離分離點較小的兩個凹點，將這兩個凹點初步定為分割點并畫出分割線，判斷分割出來的害蟲面積是否滿足smin-ε<si<smax+ε，如果滿足像素面積要求，確定分割點。如果不滿足像素面積要求，選出較小的三個點出來，然后進行兩兩配對，畫出分割線，以此類推，直至找到真正的分割點。

本發(fā)明的有益效果是，本發(fā)明的糧倉內(nèi)部害蟲的機器視覺檢測設備及計數(shù)方法，解決了糧倉害蟲檢測需要大量人力物力問題，實現(xiàn)了害蟲檢測智能化，能夠?qū)οx進行在線檢測，實現(xiàn)了誤差小，速度快，成本低，效率高的智能化在線檢測。

附圖說明

下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。

圖1是本發(fā)明的糧倉內(nèi)部害蟲機器視覺檢測設備及計數(shù)方法實施結構示意圖；

圖2是本發(fā)明中糧倉內(nèi)部害蟲檢測系統(tǒng)示意圖；

圖3是本發(fā)明中糧倉內(nèi)部害蟲機器視覺檢測及計數(shù)總體流程框圖。

圖4是本發(fā)明中傳感器檢測電路示意圖。

圖5是本發(fā)明中害蟲計數(shù)方法的流程圖。

圖中：1.害蟲誘捕器，2.蟲洞入口，3.落蟲板，4.傳感器檢測電路，5.攝像頭模塊，6.補光led燈，7.圖像傳輸單元，8.監(jiān)控中心，9.粘連害蟲分割計數(shù)算法，10.步進電機，11.電極板,12.電容檢測電路13.無線模塊，14.集中器，15.rs485總線，21.電容檢測電路，22，微控制器。

具體實施方式

現(xiàn)在結合附圖對本發(fā)明作進一步詳細的說明。這些附圖均為簡化的示意圖，僅以示意方式說明本發(fā)明的基本結構，因此其僅顯示與本發(fā)明有關的構成。

本發(fā)明的一種準確、簡單、可靠的機器視覺檢測及害蟲計數(shù)方法，害蟲檢測及計數(shù)實施步驟如下：

1.傳感器檢測

傳感器檢測電路如圖4所示，該檢測電路由兩塊相互絕緣的電極(11)，電容檢測電路(21)以及微控制器(22)組成。兩個相互絕緣的電極放置在落蟲板的正上方，如圖2所示，害蟲從兩電極之間掉下時電容發(fā)生變化，通過電容的變化檢測出害蟲。由于糧倉害蟲具有介電常數(shù)，根據(jù)公式(ε為極板間介電常數(shù)，s為極板面積，d為極板間距離)，當害蟲掉入捕蟲器時經(jīng)過兩塊電極板之間時，極板間的介電常數(shù)發(fā)生變化，電容值將會發(fā)生變化，說明有害蟲進入捕蟲器。

2.圖像采集

采集系統(tǒng)包括攝像頭模塊和主機模塊如圖3所示，攝像頭模塊主要負責圖像的采集，圖像緩存以及圖像的分段輸出。主機部分主要負責控制攝像頭模塊，圖像的接收處理以及將圖片通過無線模塊傳送給主機。攝像頭模塊主要包括圖像傳感器，cpld，sdram，補光led。圖像傳感器采用ov5640進行圖像采集，通過無線模塊傳輸給集中器。攝像頭模塊主要包括圖像傳感器，cpld。1/4英寸5百萬像素的高性能圖像傳感器，其體積小，像素高，具有自動聚焦功能適合放在狹窄的捕蟲器里進行實時監(jiān)控。

cpld在本系統(tǒng)中主要有3個接口分別是ov5640圖像采集接口，sdram接口，單片機交互接口。ov5640圖像采集接口主要作用是采集ov5640的輸出圖像數(shù)據(jù)。sdram接口負責控制sdram的初始化，定時刷新，讀寫等操作，以達到保存圖像的目的。單片機交互接口，此接口的作用是根據(jù)單片機發(fā)出的控制信號來捕捉幀圖像，及回送圖像數(shù)據(jù)給主機。sdam主要是緩存攝像頭拍攝的圖片，然后再分段spi輸出，目的是使單片機系統(tǒng)繞開高清拍攝所需的高帶寬和大內(nèi)存，從而只需像驅(qū)動低速設備那樣控制攝像頭模塊，花費很少內(nèi)存(1～2kb)，輕松實現(xiàn)高清拍攝。補光led主要為攝像頭提供良好的拍攝環(huán)境，且糧倉害蟲聚光，拍攝之前自動打開led不僅可以拍攝到清晰的圖像而且能夠吸引害蟲。

3.圖像數(shù)據(jù)傳輸

圖像數(shù)據(jù)傳輸采用無線和有線相結合的模式，多個主機可通過無線模塊向同一個集中器發(fā)送圖像數(shù)據(jù)，集中器接收到圖像數(shù)據(jù)后通過rs485總線將圖像數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)控中心。

(1)本發(fā)明的每個捕蟲器上都裝有一個nrf24l01無線模塊，每個糧倉放置一個nrf24l01模塊作為集中器。nrf24l01在接收模式下可以接收6路不同通道的數(shù)據(jù)，每一個數(shù)據(jù)通道使用不同的地址，但是共用相同的頻道。即6個不同的nrf24l01設置為發(fā)送模式后可與同一個設置為接收模式的nrf24l01進行通訊，而設置為接收模式的nrf24l01可以對這6個發(fā)射端進行識別。在本發(fā)明中，在每個糧倉中插入6個捕蟲器作為檢測點，捕蟲器端都帶有無線模塊的發(fā)送端，在糧倉內(nèi)放一個無線模塊接收端作為集中器，實現(xiàn)多個圖像數(shù)據(jù)向同一個集中器發(fā)送圖像數(shù)據(jù)。

(2)采用rs485總線將圖像數(shù)據(jù)從集中器傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。rs485是串行數(shù)據(jù)接口的標準，其抗干擾能力強，傳輸距離較遠，在傳輸速度為100kbps時，傳輸距離到達1200m。當傳輸速度為9600bps時，傳輸距離可達到15000m。由于rs485不能直接和監(jiān)控中心的pc機相連因此在pc機和rs485模塊之間必須加上一個rs485轉rs232的轉換電路。該轉換電路將兩線平衡半雙工的rs485信號轉換成rs232的串行口的txd和rxd信號。由于單片機的io口輸出的是電平而轉換電路輸入端要輸入差分電壓，因此在單片機機和轉換電路之間要加上一個ttl電平轉rs485的電路；

4.害蟲計數(shù)

(1)預處理：預處理主要包括對害蟲進行膨脹、腐蝕、開閉運算、重建等形態(tài)學方法，由于害蟲的毛刺比較多，通過形態(tài)學處理來消除二值化圖像的噪聲，進一步的削弱粘連害蟲的粘連程度以及突刺。

(2)粘連區(qū)域提?。河捎趫D像中的害蟲情況比較復雜，對粘連區(qū)域的提取可以減少檢測時間增加檢測效率。通過形狀因子(19)和單個害蟲像素面積(20)約束將粘連區(qū)域提取出來。(3)對粘連區(qū)域進行凹點檢測(16)：首先通過像素相似原理初步選出候選角點，在候選角點中提取出凹點，對這些凹點進行非極大值抑制，找出真正的凹點。

(4)分離點的判定：對二值化后的粘連害蟲進行逐層腐蝕，并用連通域?qū)φ尺B區(qū)域進行實時標記，當連通域個數(shù)正好減少的那一次，說明有粘連害蟲發(fā)生分離，返回上一次腐蝕圖，對該圖的輪廓進行遍歷，尋找存在遍歷兩次的點，該點即為分離點。

(5)分割點定位(17)：分別計算凹點與分離點的距離，找出距離分離點較小的兩個凹點，將這兩個凹點初步定為分割點并畫出分割線，判斷分割出來的害蟲面積是否滿足smin-ε<si<smax+ε，如果滿足像素面積要求，確定分割點。如果不滿足像素面積要求，選出較小的三個點出來，然后進行兩兩配對，畫出分割線，以此類推，找出符合要求的分割線。分割線確定之后，通過連通域標記法將分割后的害蟲數(shù)量計算出來。

基本原理為：將捕蟲器插入糧食中，當害蟲從蟲洞入口掉進捕蟲器內(nèi)部，害蟲垂直掉落到落蟲板上，經(jīng)過相互絕緣的兩個電極，電容值發(fā)生變化同時發(fā)送命令觸發(fā)補光燈工作、攝像頭模塊獲取圖像，將采集到的圖像數(shù)據(jù)緩存在sdram中，然后通過spi移位寄存器將圖像數(shù)據(jù)分段搬運到主機，主機通過無線模塊將圖像數(shù)據(jù)傳送到集中器，集中器通過rs485總線遠程將圖像傳送至監(jiān)控中心。保存圖像，通過形狀因子和像素面積約束將害蟲粘連區(qū)域提取出來，采用改進的harris算法，計算角點的像素相似度找出候選角點，將候選角點中的非凹點剔除，剩下的凹點進行局部非極大值抑制找出真正的凹點。對粘連害蟲輪廓進行逐層剝離，找出分離點，通過分離點與凹點的距離以及害蟲像素面積約束確定最終的分割點，連接分割點畫出分割線。最后，通過連通域標記法計算出害蟲的數(shù)量。

以上述依據(jù)本發(fā)明的理想實施例為啟示，通過上述的說明內(nèi)容，相關工作人員完全可以在不偏離本項發(fā)明技術思想的范圍內(nèi)，進行多樣的變更以及修改。本項發(fā)明的技術性范圍并不局限于說明書上的內(nèi)容，必須要根據(jù)權利要求范圍來確定其技術性范圍。