基于空间频域成像的作物早期病害便携式检测装置与方法

1.本发明属于无损检测技术领域，具体涉及一种基于空间频域成像的作物早期病害便携式检测装置与方法。


背景技术：

2.作物病害常导致作物质量与产量下降，是威胁国家粮食安全的重要影响因素。作物感染病害早期是病原体感染过程中的薄弱期，为了降低作物病害造成的影响，需要做到早发现、早防治，因此实现作物病害的早期检测具有十分重要的意义。传统的病害检测方式主要是专家鉴定法，依靠农业专家的经验进行诊断，但该种方法主观性较强，准确性不高，且效率较低；而分离培养检测方法和血清检测法又需要破坏植物结构，有着一定局限性。
3.近年来，空间频域成像技术(sfdi)由于其分析速度快，无需破坏样本等特点逐渐受到相关研究人员的重视。空间频域成像技术(sfdi)使用空间调制的正弦结构光照射待测样本，通过拍摄样本的漫反射图像，分析样本组织的光学特性。但由于实现该技术的装置存在体积过大、不易移动等缺点，大大限制了其在实时病害检测的作用，因此开发一种既能宽场成像，又便于田间使用的病害检测装置具有一定意义。


技术实现要素：

4.针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种基于空间频域成像的作物早期病害便携式检测装置与方法，通过对被测作物投射结构光并采集其反射光，实现田间作物早期病害的快速无损检测。
5.本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
6.一种基于空间频域成像的作物早期病害便携式检测装置，包括从上到下依次连接的端盖、暗箱主体、空间频域成像装置、伸缩段和开合装置；
7.所述空间频域成像装置包括方形匣壳体、光源模块、准直透镜、分光镜、消色差透镜、线性偏振镜一、线性偏振镜二、相机、反射镜以及数字微镜装置；所述准直透镜、分光镜、消色差透镜、反射镜以及数字微镜装置均安装于方形匣壳体内部；方形匣壳体相邻两侧面分别安装有光源模块，准直透镜与光源模块相对，且分光镜的中心位于准直透镜的轴线上；数字微镜装置的中心分别位于穿过分光镜中心的直线上以及消色差透镜的轴线上；反射镜的中心分别位于消色差透镜的轴线上以及线性偏振镜一的轴线上；相机垂直安装于方形匣壳体底部，且镜头穿过方形匣壳体并向下拍摄；线性偏振镜二安装于相机的镜头前部；
8.所述开合装置包括扇面骨架、中部段和开闭骨架，中部段内部连接遮光布料，中部段外部连接扇面骨架，中部段两端各设有一根开闭骨架，遮光布料于开闭骨架处设有开口，扇面骨架外圈上设有供开闭骨架移动的导轨；所述中部段采用弹性材料。
9.上述技术方案中，所述光源模块包括激光二极管、tec制冷片和散热片，激光二极管粘贴在tec制冷片的吸热面，tec制冷片的散热面安装于散热片上。
10.上述技术方案中，所述激光二极管和tec制冷片外部套有环形隔热环。
11.上述技术方案中，所述偏振镜一与线性偏振镜二的偏振角度呈90
°
。
12.上述技术方案中，所述暗箱主体包括暗箱外壳、环形凸台和观察口盖，环形凸台位于暗箱外壳内部上端，观察口盖位于暗箱外壳下部，且与暗箱外壳转动连接；所述暗箱外壳靠近光源模块处安装有冷却风扇。
13.上述技术方案中，所述检测装置底部依次安装有若干组伸缩段和开合装置。
14.一种基于空间频域成像的作物早期病害便携式检测方法，具体为：
15.转动开闭骨架，打开遮光布料，将待测作物从底部伸入暗箱主体内部；
16.通过观察口盖，调整作物样本拍摄距离至合适距离；
17.闭合开合装置，选择合适的投影光波长，控制空间频域成像装置，向待测作物样本投影不同空间频率的正弦灰度图案的结构光，每次切换正弦灰度图案后，相机采集作物样本表面漫反射图像一次；
18.对漫反射图像进行均匀性校正，解调图像，并提取交流分量；
19.将交流分量图像输入训练好的病害检测模型，判断待测作物是否染病及染病种类。
20.进一步地，每个空间频率取0、2π/3、4π/3三种相位。
21.更进一步地，所述解调图像的具体过程为：
22.通过公式解调漫反射图像，得到待测作物的漫反射振幅包络曲线；
23.再通过公式i
ac
(x，f
x
)＝m
ac
(x，f
x
)
·
cos(2πf
x
α)求得图像交流分量；
24.其中：i1、i2、i3分别为待测样本漫反射图像各像素点在三个相位下的反射强度，f
x
为光源的空间频率，α为光源的空间相位。
25.更进一步地，所述训练好的病害检测模型是通过以下方式获取的：
26.提取漫反射图像交流分量的特征，聚类提取到的特征，构造bag of words，将所有交流分量图像中的特征划归到不同类中，然后统计每一类特征的频率，将每张图片的bag of words作为特征向量，图片类别作为标签，训练得到病害检测模型。
27.本发明的有益效果为：本发明的空间频域成像装置包括方形匣壳体、光源模块、准直透镜、分光镜、消色差透镜、线性偏振镜一、线性偏振镜二、相机、反射镜以及数字微镜装置；其中方形匣壳体相邻两侧面分别安装有光源模块，准直透镜与光源模块相对，且分光镜的中心位于准直透镜的轴线上；数字微镜装置的中心分别位于穿过两块分光镜中心的直线上以及消色差透镜的轴线上；反射镜的中心分别位于消色差透镜的轴线上以及线性偏振镜一的轴线上；相机垂直安装于方形匣壳体底部，且镜头穿过方形匣壳体并向下拍摄；线性偏振镜二安装于相机的镜头前部；工作时，光源模块射出光，穿过准直透镜和分光镜照射到数字微镜装置上，数字微镜装置反射出带有正弦条纹图案的结构光，结构光穿过消色差透镜，经反射镜反射，向下穿过线性偏振镜一照射到待测作物上，待测作物表面的反射光穿过线性偏振镜二，为相机所接收，相机将收集到的图像数据传输到电脑上，用于进行后续处理；开合装置包括扇面骨架、采用弹性材料的中部段和开闭骨架，中部段内部连接遮光布料，中部段外部连接扇面骨架，扇面骨架间铺有遮光布料，中部段两端各设有一根开闭骨架，遮光布料于开闭骨架处设有开口，扇面骨架外圈上设有供开闭骨架移动的导轨。本发明的空间
频域成像装置配合暗箱主体以及开合装置形成的暗室条件，可以实现田间作物早期病害实时检测，提升了空间频域成像系统的便携性，还具有宽场成像、低成本的优点。
附图说明
28.图1为本发明所述作物早期病害便携式检测装置轴测图；
29.图2为本发明所述作物早期病害便携式检测装置爆炸图；
30.图3为本发明所述空间频域成像装置侧视图；
31.图4为本发明所述空间频域成像装置仰视图；
32.图5为本发明所述空间频域成像装置另一侧视图；
33.图6为本发明所述空间频域成像装置内部光路图；
34.图7为本发明所述光源模块组成示意图；
35.图8为本发明所述圆柱暗箱主体结构图；
36.图9为本发明所述开合装置结构示意图；
37.图10为本发明所述作物高度观测示意图；
38.图11为本发明所述检测方式示意图；
39.图中：1.端盖；2.暗箱主体；3.空间频域成像装置；4.伸缩段；5.开合装置；201.圆柱暗箱外壳；202.螺纹孔；203.环形凸台；204.冷却风扇；205.观察口盖；301.光源模块；302.准直透镜；303.分光镜；304.数字微镜装置控制板；305.消色差透镜；306.线性偏振镜一；307.线性偏振镜二；308.相机；309.反射镜；310.光源模块控制器；311.固定耳板；312.数字微镜装置；313.激光二极管；314.tec制冷片；315.隔热环；316.散热片；317.方形匣壳体；501.扇面骨架；502.中部段；503.支撑架；504.遮光布料；505.开闭骨架。
具体实施方式
40.下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
41.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
42.如图1、2所示，本发明一种基于空间频域成像的作物早期病害便携式检测装置，包括端盖1、暗箱主体2、空间频域成像装置3、两伸缩段4和两开合装置5，空间频域成像装置3安装在暗箱主体2内部环形凸台203上，端盖1安装在暗箱主体2顶部，伸缩段4安装于暗箱主体2底部，开合装置5安装于伸缩段4底部；本实施中，开合装置5底部继续以同样的顺序安装有一伸缩段4与一开合装置5，或者根据实际需要继续增加伸缩段4和开合装置5。伸缩段4用于不同高度作物的需要。
43.如图3、4、5所示，所述空间频域成像装置3包括方形匣壳体317、三个光源模块301、三个准直透镜302、两个分光镜303、数字微镜装置控制板304、消色差透镜305、线性偏振镜一306、线性偏振镜二307、相机308、反射镜309、光源模块控制器310、固定耳板311以及数字微镜装置312。三个光源模块301与光源模块控制器310连接，数字微镜装置312与相机308均连接到电脑。其中两光源模块301安装在方形匣壳体317一侧，准直透镜302、分光镜303、数
字微镜装置312、消色差透镜305、反射镜309均安装于方形匣壳体317内部支撑架上，两准直透镜302分别与两光源模块301相对，两个分光镜303的中心位于两准直透镜302的轴线上；第三个光源模块301安装在两光源模块301相邻的方形匣壳体317一侧(即第三个光源模块301的光线与两光源模块301的光线垂直)，第三个光源模块301内侧安装第三个准直透镜302，第三个准直透镜302与第三个光源模块301相对，且第三个准直透镜302的轴线穿过两分光镜303的中心；数字微镜装置312的中心位于穿过两分光镜303中心的直线上，数字微镜装置312的中心还位于消色差透镜305的轴线上；反射镜309的中心位于消色差透镜305的轴线上，反射镜309的中心还位于线性偏振镜一306的轴线上，线性偏振镜一306安装于方形匣壳体317底部开孔内；光源模块控制器310安装在方形匣壳体317上；数字微镜装置控制板304通过螺纹连接固定在方形匣壳体317底部；线性偏振镜二307安装于相机308镜头前部，相机308垂直安装于方形匣壳体317底部，且镜头伸出方形匣壳体317预留的孔洞并向下拍摄。
44.如图6所示，光源模块301由光源模块控制器310控制射出光，穿过准直透镜302和分光镜303照射到数字微镜装置312上，数字微镜装置312受电脑控制反射出带有正弦条纹图案的结构光，结构光穿过消色差透镜305，经反射镜309反射，向下穿过线性偏振镜一306照射到待测作物上，待测作物表面的反射光穿过线性偏振镜二307，为相机308所接收，相机308将收集到的图像数据传输到电脑上，用于进行后续处理。
45.线性偏振镜一306与线性偏振镜二307的偏振角度呈90
°
，用于削弱待测样本表面的镜面反射，提升图像的解调效果。方形匣壳体317留有三个光源模块301安装处，可安装3种不同波长的光源模块301，通过光源模块控制器310控制，可采集不同波长或是几种波长混合的结构光照射下的样品组织的图像，以确定针对该种样本表现最佳的波长。通过电脑控制数字微镜装置312的图案切换与相机308采集在同一周期。
46.如图7所示，光源模块301包括激光二极管313、tec制冷片314、隔热环315和散热片316。激光二极管313通过导热胶粘贴在tec制冷片314的吸热面，两者之外套有一环形隔热环315，用于减少激光二极管313散发的热量对其余器件造成影响。隔热环315与tec制冷片314的散热面安装于散热片316上，散热片316的四角开孔，用于将光源模块301安装在方形匣壳体317上。tec制冷是利用半导体的珀尔帖效应，当直流电源通过两种半导体材料组成的电偶时，会产生一端吸热一端放热的现象，利用这种现象可将tec制冷片314的热量从一侧传至另一侧，从而降低激光二极管313的温度，以延长其寿命并确保光源稳定。
47.如图8所示，暗箱主体2包括暗箱外壳201、螺纹孔202、环形凸台203、冷却风扇204和观察口盖205。端盖1安装于暗箱主体2顶端，环形凸台203位于暗箱外壳201内部上端，环形凸台203上开有三个与集成空间频域装置3的固定耳板311对应的安装螺纹孔202，可确保空间频域成像装置3安装于固定位置上；在暗箱外壳201靠近光源模块301处开有一方形通孔，用于安装冷却风扇204，用于对光源模块进行冷却；暗箱主体2下部开有一观察口，用于人工观测作物的拍摄高度，观察口盖205与暗箱外壳201靠旋转轴连接，当确认好合适的拍摄高度时，可关闭观察口形成暗室环境。圆柱暗箱主体2底部与伸缩段4连接，伸缩段采用柔性材料，可在一定范围内改变拍摄高度。
48.如图9所示，开合装置5包括扇面骨架501、中部段502、支撑架503、黑色遮光布料504、开闭骨架505。中部段502为圆环状，位于开合装置5中心，中部段502采用弹性橡胶材
料，中部段502内部与一黑色遮光布料504相连；中部段502外部与扇面骨架501相连，扇面骨架501之间铺有黑色不透光布料；扇面骨架501有一部分为密封扇形结构，作为支撑架503，支撑架503用于连接其他部件，且中部段502嵌入支撑架503内部。中部段502的两端各设有一根较长的开闭骨架505，用于手动开闭整个扇面，内部黑色遮光布料504于开闭骨架505处开口，当闭合两个开闭骨架505时，内部黑色遮光布料504可贴紧作物茎干，防止光线通过。扇面骨架501外圈内部设有供开闭骨架505移动的导轨。
49.开合装置5、伸缩段4、圆柱暗箱主体2之间的连接方式，以及光源模块301、数字微镜装置312、相机308、冷却风扇204与外界的接线方式在本发明视图中均未画出。
50.一种基于空间频域成像的作物早期病害检测方法，包括如下步骤：
51.通过转动开闭骨架505，打开遮光布料504，将待测作物从底部伸入暗箱主体2内部；
52.如图10所示，打开观察口盖205，观测待测作物样本的拍摄距离，调整作物样本拍摄距离至合适距离再关闭观察口盖205；
53.如图11所示，闭合所有开合装置5，通过光源模块控制器310选择合适的投影光波长，之后通过电脑控制空间频域成像装置3，向待测作物样本投影不同空间频率(每个空间频率取0、2π/3、4π/3三种相位)的正弦灰度图案的结构光，每次切换正弦图案后，控制相机308采集作物样本表面漫反射图像一次；打开所有开合装置5，将待测作物换成参比白板，重复上述操作；
54.对漫反射图像进行均匀性校正，解调图像，并提取交流分量；
55.将交流分量图像输入训练好的病害检测模型，判断是否染病。
56.进一步地，解调图像的具体步骤为：
57.首先采用以下公式进行均匀性校正：
[0058][0059]
式中，r
′
为校正后的图像漫反射强度，i
dark
为暗场图像强度，i
white
为平面光照射下的参比白板图像强度；
[0060]
接着通过以下公式解调，得样品的漫反射振幅包络曲线：
[0061][0062]
式中，i1、i2、i3分别为待测样本漫反射图像各像素点在每个空间频率的三个相位下的反射强度；
[0063]
最后运用以下公式求得图像交流分量：
[0064]iac
(x，f
x
)＝m
ac
(x，f
x
)
·
cos(2πf
x
α)
[0065]
式中，f
x
为光源的空间频率，α为光源的空间相位。
[0066]
进一步地，训练好的病害检测模型的具体步骤为：
[0067]
(1)运用surf算法提取漫反射图像交流分量的特征；
[0068]
(2)运用kmeans算法聚类提取到的特征；
[0069]
(3)构造bag of words，将所有交流分量图像中的特征划归到不同类中，然后统计每一类特征的频率；
[0070]
(4)将每张图片的bag of words作为特征向量，图片类别作为标签，通过svm进行训练得到病害检测模型。
[0071]
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。