一种基于机器视觉的高密度穴盘苗寻苗方法①

费焕强 龚征绛 陈 武 查 杨 喻擎苍

（浙江理工大学信息学院 浙江杭州310000）

嫁接是当今农业最常用的手段，传统的手工嫁接效率低下，质量难以保证，已经不能满足大规模的大棚育苗需求，发展研制全自动嫁接机是农业走向现代化的大势所趋［1-4］。目前，自动嫁接机终端装置都是固定间隔种植幼苗，每个穴盘格种植一颗幼苗，但接穗苗不需要根部，固定间隔种植势必造成资源浪费，采用高密度种植方式育苗不仅方便管理，还能节省设施资源投入［5-9］。

姜凯等［10］设计了一种柔性上苗定位装置，利用气吹压苗块通过正压气流对秧苗子叶下压处理，以使秧苗子叶贴附于子叶吸附部，子叶吸附部通过负压气流实现秧苗子叶的吸附定位，气吹压苗块和子叶吸附块的正负压气流交替作用，使秧苗子叶柔性安全固定于子叶吸附块的作业面上，完成秧苗柔性上苗作业。杨安等［11］研究设计了一种定位夹持装置，由滑块收拢机构和夹取断根机构两部分构成，工作原理为双杆气缸伸出，推动T形支撑板向前移动，带动定位杆、运动杆摆动和Y形气缸向前运动。定位杆下部运动为包络轨迹，与弧形挡板同时作用固定嫁接苗于指定范围，Y形气缸工作时，两侧的手爪封闭，带动前端的刀刃闭合并剪断幼苗，实现嫁接苗的夹取，当双杆气缸停止工作，推杆缩回，完成嫁接苗的夹持输送。

据前期研究发现［12-16］，现有装置只能用于固定间隔的穴盘苗寻苗，无法应用于高密度种植的穴盘苗。因此，基于高密度种植的特点，设计一种基于机器视觉高密度穴盘苗的寻苗及夹切的装置系统，利用图像处理技术，研究激光线的水平调整方案，在不同距离下标定出了目标苗茎斑点位置，得出摄像头到苗茎距离与苗茎光斑高度之间的关系，完成穴盘苗的寻苗及目标苗茎的定位，控制夹具、刀具，剪切夹持目标苗茎。

1 寻苗及夹切装置设计

本设计装置是利用激光发射器照射苗茎，在苗茎上出现一道亮斑，摄像头采集这些亮斑像素。由于摄像头距离苗茎的位置有远有近，因而会在图像中出现高低不同的光斑像素。像素最低点亮斑所在苗茎距离摄像头最近且靠近视觉中间，因此，将光斑像素最低点所在苗茎作为寻找目标进行夹切。如图1～2所示。

图1 系统装置示意图

装置主要由摄像头、步进电机，激光器，夹具和刀具等部件组成。装置顶部的孔用于固定上苗机械手末端，摄像头中心线与水平面呈35°，两片夹具分别固定在凸台齿轮上，两凸台齿轮相互啮合，其中一凸台齿轮与电机轴齿轮相互啮合，电机齿轮与夹具齿轮减速比为1∶2，激光灯位于凸台齿轮平面上3.5 mm；刀具固定在夹具底部，刀刃凸出夹具面3 mm，夹具内侧贴海绵泡沫，当两片夹具收紧夹持苗茎时，底部刀具完成苗茎断根，海绵泡沫可防止苗茎被夹伤。

图2 系统装置实物图

整个寻苗夹切装置高为168 mm，夹具长为59 mm，宽为10 mm，厚度为2 mm。由于瓜科接穗苗适合嫁接时，其苗径约为2 mm，夹苗时如图3所示。

图3 夹苗示意图

为使夹具夹取目标苗茎时，不影响到其他苗茎，需满足（L+r）2≤（L-r）2+D2

取L＝59 mm，r＝1 mm，求得D≥15.36 mm。说明该装置适合于苗茎间距大于或等于15.36 mm。

采用42步进电机，电机扭矩为0.3 N.m，根据扭矩公式：T=F·L，夹具末端的力为10.17 N，足以剪切且夹持西瓜等葫芦科嫁接苗［17］。

2 视觉检测原理与采集范围分析

2.1 原理

激光发射器与水平面平行，将一字型激光束调整到与水平面平行，摄像头镜头与水平面夹角为θ，摄像头的视觉范围设为2β。当激光束照射在摄像头视角范围内苗茎时，会出现一道亮斑，摄像头捕获亮斑，利用视觉图像处理技术确定在图像的位置。如图4所示，在摄像头采集范围内，当苗茎距离摄像头越近，光斑线就越靠近底部，当苗茎距离摄像头越远，光斑就越靠上部。

图4 视觉检测原理图

当θ＝35°，摄 像 头 的 视 场 角 为60°，即β=30o，h1=113.85 mm。

可知d1=1 308.62 mm，d2=53.10 mm，d1、d2表示激光束照射在被测目标时，摄像头均可以捕获到此激光线条的物理范围，因此，被采集的对象位置需在53.10～1 308.62 mm。

系统采集模块不仅对工作距离有一定的要求，对工作最佳范围也有一定的要求，工作范围可从摄像头景深、激光发射器可用光斑范围、工作垂直高度进行考虑分析，确定系统结构最佳范围。

2.2 采集范围

采用树莓派3b+OV5647可调焦摄像头分辨率为640*480，景深为63～94 mm，当一字型激光发射器在距离小于58 mm、大于91 mm时，照射在被测物体上的线条会明显加粗，影响实验准确性。

54～100 mm，每隔2 mm采集一次图像，激光线条会在一定工作范围内清晰出现在图像区域内，找出这个工作范围。

系统终端结构（包括激光器、摄像头等设备）、上苗机械手、幼苗盘、格状平面板、游标卡尺以及图像采集系统树莓派（树莓派3b+OV5647可调焦摄像头，分辨率为640×480，景深63～94 mm）等。

实验步骤：将系统终端结构固定在上苗机械手末端，对上苗机械手上电使之锁定，使系统终端结构处于静止状态，将格状平面板放置系统终端底部，幼苗盘放置格状平面板上，从距摄像头水平位置54 mm处，每隔2 mm移动一次，观察图像中激光线条清晰度。结果发现距离64～90 mm时，出现在图像中的激光线条最为清晰，说明最佳工作的水平距离范围为64～90 mm。

根据上示的几何关系，可得：

图5 实验过程图

当h2＝18.5 mm，h1＝1138.5，d1＝1 308.62 mm，d2＝53.10 mm，θ＝35°，β=30o。d3表示苗茎到摄像头的距离，当d3最小时，即d3=64 mm，得到的H为最大值，h3表示摄像头在最大H下，采集到苗茎的最高点。根据嫁接需求，培育接穗苗可供嫁接时苗茎高度大约为H′=62mm，椭圆叶子长轴约为a=21 mm，由h3＝H′-α×tan（θ），可知H＝47.29 mm，即该装置垂直工作范围为0～47.29。

为使装置底部不接触到穴盘面，设定系统装置工作高度为为底部高于穴盘面3 mm，水平工作范围为64～90 mm。

3 寻苗及夹切装置调整

视觉中，若直线与水平线的角度小于0.3°时，可视为水平线［18］。采用计算机图像处理技术，提取激光线条骨架后，根据图像中像素点数，通过直线拟合求得斜率。具体处理步骤如下。

利用摄像头采集激光线条，如图6所示，经过OTSU图像分割方法，得到二值图，如图7所示。由于得到的激光线条边界存在着噪声且不平滑，不利于中心线提取。在图像处理技术中，膨胀可以将目标点融合到背景中，合并裂开目标物，便于整体提取.腐蚀可以消除边界，使边界向内收缩，并可以将小的颗粒噪声去除［19-20］。为了对激光线条边缘进行平滑处理，采用膨胀腐蚀方法对条线进行处理，如图8所示。

图6 采集激光线条图

图7 提取激光线条二值图

图8 膨胀与腐蚀

将图像进行阈值分割并提取骨架，如图9所示，再通过霍夫直线拟合［21-23］，得到直线斜率，求倾斜角度，如图10所示。此时，拟合到的激光线条直线斜率为0.003 2，倾斜角为0.181 9°，说明一字型激光线条已达到水平标准。如果倾斜角超过0.3°，则手动微调激光器调节头，直至激光线条的拟合直线倾斜角小于0.3°。

图9 骨架提取

图10 获取拟合直线的斜率和倾斜角

4 寻苗及夹切装置标定

为探讨苗茎到摄像头距离与激光线高度间关系，须保证激光线水平照射苗茎，在有效工作范围内，每隔1 mm采集1次图像，通过计算视觉技术，标定出图像中最低像素点的位置。

当一字型激光灯照射在高密度种植的穴盘苗上时，摄像头捕获外侧苗茎光斑，距离摄像头中心线越近的苗茎，在图像中的光斑位置越低；距离摄像头中心线越远的苗茎，在图像中的光斑越高，整条光斑呈凹状曲线。通过在不同的距离下采集的大量光斑图片作为数据，记录每张采集图片中光斑像素点纵坐标的最大值，即高度最低的点，获取不同测试距离下对应光斑最低点位置，拟合出最低点高度与距离的关系。

将系统装置固定在上苗机械手末端，机械手上电锁定，整个上苗系统保持稳定，将高密度种植的穴盘苗放置在格状平面板上，置于工作距离最小处，用游标卡尺以及格状平面板小方格测量距离，每隔1 mm采集一次图像，如图11所示，记录标定数据。

图11 标定实验设计图

4.1 标定位置提取

在工作范围内，激光发射器水平照射苗茎，在苗茎上形成一道亮斑，摄像头采集图像，如图12所示.

图12 采集苗茎光斑

4.2 目标颜色空间的提取

光斑像素值与颜色空间有紧密联系，颜色空间分为RGB模型与HSV模型［24-25］。

RGB模型每个原色可以采用从0（最低）到1（最高）表示强度值。将红（R），绿（G），蓝（B）3种颜色通道参数值相互叠加可得到各种各样颜色，所有颜色的集合形成了一个RGB颜色空间的三维立方体。如图13所示：

图13 RGB模型与HSV模型图

RGB颜色空间模型下提取的像素分量易受到光照、遮挡和阴影等影响，如果亮度改变，3个分量都会相应改变，三者间相关性很高，进而会影响目标像素提取，不适合视觉图形分析与分割［26-28］。

与RGB颜色空间模型不同的是，HSV颜色由3个参量组成，分别是色泽（H），饱和度（S）和亮度（V），H的每一个值代表一个颜色，取值为0～360；S为0～1（0表示灰度图，1表示纯颜色）；V为0～1（0表示黑色，1表示特定饱和度颜色）。RGB色彩空间与HSV色彩转化如下：

若H＜0，则H=H+360。

两颜色模型提取采集图像中的激光线条，处理后效果图如图14所示。

图14 RGB模型与HSV模型图提取目标像素

4.3 激光线条连通域提取

利用HSV颜色空间模型对目标图像进行多值化操作，提取目标像素。找出像素值相同的像素点进行合并连接，形成连通域［29-30］。对取得的像素点连通域去除无光部分即噪声块（图15）。

图15 提取光斑像素二值图

通过计算机图像技术，遍历图像中每个像素点，找出轮廓链像素点纵坐标最大点的位置，也就是图像中最低点的坐标，此像素点的高度即所需标定的高度。

图16 提取光斑最低点像素坐标

4.3 标定数据分析

距激光器64～90 mm，每隔1 mm采集1次图像，计算图像中纵坐标像素点最大值的位置，标定数据如表1所示。

表1 标定数据

通过标定有限个点得到高度值与距离值，为探讨两者间模拟关系，利用插值与逼近的方法，根据有限个点取值，估算出其他点值。插值法是数据处理与编制函数的常用方法，当给定数据点误差过大，并存在多余数据点时，插值法不适用，为此提出了逼近法，给定条件下构造曲线与原有数据点误差值最小，称为逼近曲线［31-32］。

使用曲线拟合二维散点图发现，随着距离增大，激光灯光斑高度整体呈上升趋势，选择多项式曲线拟合，根据散点图分布特点分别进行4、5、6、7次曲线拟合对比，如图17所示。

图17 曲线拟合图

通过图17观察可发现，5次拟合最接近散点图变化规律。拟合后的函数关系式如下。

y=p1*x5+p2*x4+p3*x3+p4*x2+p5*x+p6

其中，p1＝5.091 9×10-11，p2＝-5.973 5×10-8，p3＝2.458 2×10-5，p4＝-0.004 416 9，p5＝0.469 39，p6＝48.308，x表示激光线照射在苗茎上的光斑高度，y表示视觉采集装置至苗茎的距离。

5 穴盘苗寻苗与定位

打开夹具，使之呈30°夹角，打开摄像头、激光器，旋转装置夹口方向，使之正对被夹切的幼苗侧面。降低系统装置，使装置底面高于穴盘面3 mm，移动系统装置至工作范围内。通过采集激光灯光斑高度h，根据曲线拟合多项式计算出摄像头到目标苗茎的距离d，控制夹苗机械手将系统装置向穴盘苗方向移动，定位到夹切的目标苗茎。再次控制系统装置上的步进电机，使得夹具闭合，同时夹具底部刀具完成对苗茎的剪切，夹具完成了对苗茎的夹持。为了防止直接上苗对周围子叶伤害，控制机械手向后退10 mm，再抬高上苗至嫁接台。至此完成幼苗的寻苗定位及剪切。

6 讨论与结论

为验证上述视觉采集装置至苗茎的距离（y）与激光线照射在苗茎上的光斑高度（x）之间的函数关系，利用系统装置进行200次测距实验，比较手工测量实际值与系统测量结果，随机取20组测量值，如表2所示。

表2 装置测量值与手工测量值的数据对比

幼苗苗径为2 mm，断根时，若未完全切除表皮层而夹持上苗，则不影响苗茎的后续生命以及上苗续动作，因此，装置测量值与手工测量值误差在0.1 mm内，对后续系统装置夹苗不会产生太大影响。结果显示，191幅图像测得距离值与手工测得距离值误差在0.1 mm内，误差允许范围内的准确性为95.5%。这可能是由于光源对测量结果影响较大，采集到激光线条图像有一定的光晕现象，影响最低像素点的准确提取。

针对高密度种植穴盘苗，设计了一种基于机器视觉高密度穴盘苗的寻苗剪切装置，主要包括摄像头、激光器、电机、刀具以及夹具。得出装置的工作范围为64～90 mm；利用计算机图像处理技术，完成了寻苗及夹切装置激光线的调整方法；采用HSV颜色空间模型标定出照射在苗茎上的光斑位置，运用曲线拟合方法，得出5次拟合最接近散点的位置变化，计算苗茎上光斑高度与摄像头之间的距离，为装置的自动剪苗提供了理论基础；验证了装置测距与实际测试之间的误差在0.1 mm内的准确性达到了95.5%。本研究设计填补了高密度种植穴盘苗自动寻苗及夹切领域的空缺，为全自动嫁接寻苗及剪切幼苗提供了的理论指导。