野外昆虫图像自动采集装置及其图像采集方法 【技术领域】
本发明涉及一种野外昆虫图像自动采集装置， 属于图像采集装置技术领域。背景技术
稻飞虱是一种迁飞性害虫， 生长繁殖快， 危害程度大， 容易造成水稻严重减产。根 据中华人民共和国国家标准， 灯光诱测是 《稻飞虱测报调查规范》 (GB/T15794-1995) 中的一 种。用 200W 白炽灯作标准光源， 灯源高地面 1.5m， 上方架设防雨罩， 下方装集虫漏斗， 漏斗 口下装毒瓶。从早发年份的成虫初见期前 10d 开始， 至常年终见期后 10d 结束。每天天黑 前开灯， 天明后关灯。逐日将诱得的成虫计数， 并区别种类。因此， 获取田间稻飞虱虫口密 度是防治水稻受害的一项重要指标。 随着科学技术发展， 根据稻飞虱图像中的信息， 自动鉴 定稻飞虱种类已成为可能。 因此， 需要一套野外稻飞虱图像自动采集装置， 实时获取昆虫数 字图像。发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种野外稻飞虱等昆虫图像自动采集装置， 可 以实现实时获取处于自然状态下的昆虫数字图像， 以便获取田间稻飞虱虫口密度， 预防水 稻受害， 也为科研、 教学、 生产实践提供自然的昆虫数字图像。
为解决上述技术问题， 本发明提供一种野外昆虫图像自动采集装置， 包括底座、 采 集工作台、 拍摄系统和控制系统， 其特征在于 ： 所述采集工作台沿 X 向设置于底座上， 拍摄 系统沿 Y 向设置于底座上， 所述拍摄系统包括摄像机、 安装于摄像机上的显微变焦距镜头 及冷光源， 所述控制系统包括相互连接的微控制器和 PC 机， 所述微控制器通过 X 向进给装 置控制采集工作台沿 X 向运动， 微控制器通过采集工作台上的幕布驱动装置控制采集工作 台幕布沿 Z 向滚动， 所述摄像机与 PC 机相连。
前述的野外昆虫图像自动采集装置， 其特征在于 ： 所述幕布驱动装置包括设置在 采集工作台上的主动辊， 所述主动辊与幕布驱动装置相连， 从动辊与主动辊平行设置， 采集 工作台幕布作为传送带连接于主动辊与从动辊之间。
前述的野外昆虫图像自动采集装置， 其特征在于 ： 所述采集工作台幕布为白色的 确良幕布， 且竖直布置。
前述的野外昆虫图像自动采集装置， 其特征在于 ： 在所述主动辊与从动辊的外圆 周设有衬套。
前述的野外昆虫图像自动采集装置， 其特征在于 ： 所述 X 向进给装置包括与微控 制器相连的采集工作台驱动装置， 采集工作台驱动装置与丝杆直接相连， 所述采集工作台 两侧通过导轨副设置于底座上。
前述的野外昆虫图像自动采集装置， 其特征在于 ： 所述拍摄系统包括拍摄光源和 摄像机， 所述拍摄光源为环形冷光源， 设置于光源支架上， 所述摄像机设置于摄像机支架 上， 所述光源支架和摄像机支架分别设置于光源工作台和摄像机工作台上。前述的野外昆虫图像自动采集装置， 其特征在于 ： 在所述控制系统中， 与摄像机相 连的图像采集卡安装在 PC 机的 PCI 插槽内， PC 机上安装昆虫图像采集处理模块， 所述 PC 机 通过接口电平转换芯片与微控制器相连。
前述的野外昆虫图像自动采集装置的图像采集方法， 其特征在于 ： 包括以下步 骤：
1) 系统上电， 利用微控制器的键盘手动分别调整幕布驱动装置和采集工作台驱动 装置， 使采集工作台到达指定位置 ；
2) 每隔 30 分钟， 扫描采集一次图像 ；
3) 每次采集图像， 采集工作台沿 X 向位移 50mm， 向 PC 机发出信号， X 向电机停止 1s， 拍摄图像 ；
4) 采集工作台幕布沿 Z 向位移 50mm， 向 PC 机发出信号， Z 向电机停止 1s， 拍摄图 像， 连续工作 10 次 ；
5) 采集工作台 X 向位移 50mm 停止， 执行 Z 向工作， 重复 5 次后采集工作台返回初 始位置， 每次图像拍摄在采集工作台停止后进行， 避免出现图像残缺现象 ；
6) 摄像机把图像信息通过电缆输入到图像采集卡的图像输入端， PC 机上运行图 像捕捉程序， 并按要求把图片保存到指定位置。
本发明所达到的有益效果 ： 本发明结构简单， 成本低， 可实时采集获取处于自然状 态下的昆虫数字图像， 以便获取田间稻飞虱虫口密度， 预防水稻受害， 也为科研、 教学、 生产 实践提供自然的昆虫数字图像。附图说明
图 1 为本发明的野外昆虫图像自动采集装置系统工作示意图 ；
图 2 为本发明的野外昆虫图像自动采集装置整体结构示意图 ；
图 3 为 X 向进给系统传动简图 ；
图 4 为 X 向丝杆进给装置结构示意图 ；
图 5 为拍摄系统组成示意图 ；
图 6 为采集工作台的结构示意图 ；
图 7 为本发明中微控制器的应用系统 ；
图 8 为 7SH20403 联线图 ；
图 9 为 KA-022W8 联线图 ；
图 10 为本发明的控制流程图 ；
图 11 为 PC 机与微控制器串口通信硬件图 ；
图 12 为图像采集卡工作原理框图 ；
图 13 为拍摄系统程序框图。 具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
野外昆虫图像自动采集装置主要由控制系统、 采集工作台、 X 向进给装置和拍摄系 统构成， 如图 1 所示。根据稻飞虱等昆虫的扑光性， 选用 160W 自镇流荧光高压汞灯将稻飞虱诱集到白色的确良幕布上， 采集其数字图像 ； 控制系统控制幕布驱动装置和 X 向进给装 置的运动， 实现白色幕布 X 向和 Z 向运动， 每隔一定时间， 实时扫描拍摄多幅图像 ； 拍摄系统 通过环形冷光源和摄像机获取稻飞虱等昆虫图像反馈给计算机， 进行图像数据分析处理。
图 3 为 X 向进给装置传动简图。所述 X 向进给装置包括与微控制器相连的采集工 作台驱动装置 21， 采集工作台驱动装置 21 与丝杆 22 直接相连， 所述采集工作台两侧通过导 轨副设置于底座 100 上。采集工作台驱动装置所用电机为两相混合式步进电动机。微控制 器驱动步进电机， 步进电机与丝杆直连， 丝杠带动采集工作台将旋转运动转换为直线运动， 实现横向进给。
图 4 为 X 向丝杆进给装置结构示意图， 本发明的图像数控采集装置转速中等， 精度 要求一般， 丝杠采用两端支撑结构。
导轨副保证采集工作台的正确运动轨迹。 该装置中速中精度， 负载较小， 主要起导 向作用， 选择车屉滑轨。
采集工作台主要由幕布驱动装置 11、 主动辊 12、 从动辊 13、 采集图像工作台幕布 14 及机架 15 等组成， 如图 6 所示。根据稻飞虱等昆虫的扑光性， 选用 160W 自镇流荧光高 压汞灯将稻飞虱诱集到白色的的确良采集工作台幕布上。经过实验， 采集工作台幕布使用 的确良白布， 一方面可以采集到自然状态下稻飞虱的样本图像 ； 另一方面， 图像背景颜色单 一， 方便以后图像处理。 幕布驱动装置是采集工作台幕布带式传动的动力来源， 采用步进电 机， 由输入步进电机脉冲频率决定转速， 步进电机选用 PX245-11A。
传动滚筒采用轴作为主动辊， 传动轴上覆盖摩擦系数较大的衬套， 增大表面摩擦 系数， 增大摩擦力提高传动装置的牵引力， 步进电机与传动轴直连， 传递动力， 采集工作台 幕布带动从动辊。从动辊亦采用轴， 表面覆盖摩擦系数较大的衬套。鉴于该装置的小扭矩， 直接采用采集工作台幕布传动， 幕布采用机械接头， 可拆卸。 同时幕布作为采集稻飞虱等昆 虫的屏幕， 分区采集图像大小约为 50mm×50mm， 幕布大小 250mm×500mm。
拍摄系统基本硬件主要有环形冷光源 31 和摄像机 32， 安装在光源工作台 102 和摄 像机工作台 101 上， 构成拍摄系统， 如图 2 所示。图 5 为拍摄系统组成示意图， 野外拍摄光 源采用 OPT-DP1024-4HT 环形冷光源。该冷光源具有细腻柔和、 明晰、 无阴影、 无斑痕的照明 效果， 借助环形冷光源和摄像机可采集清晰高质量的稻飞虱等昆虫图像。冷光源支架 33 由 两衔铁架组合而成， 占用空间小， 通过螺栓连接， 可上下调整光源高度， 前后调整光源距离， 且可以 360°旋转光源， 实现多距离多角度随意调整， 利于图像采集和拍摄。
摄像机为彩色数字摄像机， 采用 CCD 摄像机有以下优点 ： 数字信号是加工信号， 加 工信号对于有杂波和易产生失真的外部环境和电路条件来说， 具有较好的稳定性。摄像机 支架 34 由螺栓连接的三部分组成 ( 图 5)， 可上下调整摄像机高度， 且可以 180°旋转摄像 机。摄像机用螺栓连接于支架上， 整体支架简洁易操作。
环形冷光源及冷光源支架安装在光源工作台 102 上， 通过两边导轨上方的螺栓调 节距离 ； 摄像机及摄像机支架安装在摄像机工作台 101 上， 通过丝杠螺母微调摄像机工作 台前后距离， 进而实现摄像机与光源和幕布之间距离的微调。光源工作台 102 和摄像机工 作台 101 安装在底座 100 上 ( 图 2)。
采集图像尺寸统一为标准的 768*576 像素， 工作距离为 190mm， 放大倍率为 0.3X。 摄像机与采集工作台幕布之间初定距离 190mm， 水平角度采集， 拍摄系统可进行拍摄角度的调整和拍摄距离的微调。
角度调整 ： 调节摄像机和光源支架， CCD 摄像机可进行 90°调整， 环形光源可进行 360°调整， 摄像机支架和光源支架通过螺栓位置调整可改变上下位置， 实现拍摄角度的调 整。
距离调整 ： 摄像机与采集工作台幕布之间的距离为 190mm， 可通过末端丝杠手动 微调摄像机与采集工作台幕布的距离， 同时可以通过螺栓调整光源工作台， 调整环形光源 与采集工作台幕布的距离， 实现昆虫样本图像的清晰采集。
图 10 为自动拍摄系统控制框图， 控制系统由 PC 机、 微控制器、 彩色摄像机 32( 图 2)、 冷光源 31、 图像采集卡、 驱动器等组成， 实现野外昆虫图像采集装置自动运行， 扫描拍摄 多幅图像。微控制器控制采集工作台 X 向、 采集工作台幕布 Z 向运动， 彩色摄像机获取数字 图像。
微控制器是将微型计算机的主要部分集成在一个芯片上的单片微型计算机。 微控 制器选用 AT89C52， 其构成野外昆虫图像自动采集装置驱动控制的最小应用系统， 如图 7 所 示。
AT89C52 是一种低损耗、 高性能 CMOS 八位微控制器， 8K 字节 Flash， 256 字节 RAM， 32 位 I/O 线， 三个 16 位定时器 / 计数器， 一个 6 向量 2 级中断结构， 全双工串口， 支持 2 种 可选择节电模式的软件。 装置控制的实现
系统上电， 利用键盘分别调整 X、 Z 向电机， 使其到达指定位置。AT89C52 微控制器 的定时器 / 计数器 0 工作在方式 1， 16 位计数器 ； 定时器 / 计数器 1 工作在方式 2， 自动重装 入初值的 8 位计数器 ； 串行口工作在方式 2， 9 位通用异步接收器 / 发送器， 波特率为 9600 ； 系统开中断。
装置每隔 30 分钟， 采集一次图像。采集工作台幕布大小 250mm×500mm， 图像采集 区大小约为 50mm×50mm。采集工作台幕布 Z 向位移 50mm， 向 PC 机发出信号， Z 向电机停止 1s， 拍摄图像， 连续工作 10 次。采集工作台 X 向位移 50mm 停止， 执行 Z 向工作， 重复 5 次后 采集工作台返回初始位置。每次图像拍摄在采集工作台停止后进行， 避免出现图像残缺现 象。装置驱动控制流程如图 10 所示。
自动拍摄系统由环形冷光源、 彩色摄像机、 显微变焦距镜头、 图像采集卡、 PC 机等 组成。光源配置于采集工作台幕布与摄像头之间， CCD 摄像头安装在采集工作台幕布的光 源前方， 上下、 左右可调， 图像采集卡安装在 PC 机的 PCI 插槽内， PC 机上安装稻飞虱等昆虫 图像采集及其它软件。
天黑前， 开启 160W 自镇流荧光高压汞灯， 诱集田间昆虫包括稻飞虱爬附在的确良 白布的采集工作台幕布上。 每隔一定时间， 自动启动拍摄系统， 完成整个采集工作台幕布的 数字图像拍摄工作。CCD 摄像机把图像信息通过电缆输入到图像采集卡的图像输入端， PC 机上运行图像捕捉程序， 并按要求把图片保存到指定位置。
由于 PC 机采用的是 RS-232C 标准信号， 而 AT89C52 单片机采用的是 TTL 电平信 号， 所以在进行串行通信时， 必须进行接口电平转换。采用具有双向转换功能的 MAX232 芯 片 ( 图 11)， 9、 10 引脚是 TTL 电平端， 连接单片机串行口。
视频图像采集卡选自中国大恒 ( 集团 ) 有限公司， 型号为 DH-CG410。它具有使用
灵活、 集成度高、 功耗低等特点， 由于采用的是 PCI 总线， 所采集的图像数据传输基本不占 用 CPU 时间， 并可将图像直接传送到计算机内存或显存。
视频图像经多路切换器、 解码器、 A/D 变换器， 将数字化的图像数据送到数据缓冲 器。经剪裁、 比例压缩及数据格式转换后， 由内部控制图像覆盖与数据传输， 数据传输目标 位置由软件确定， 可以是显存， 也可以是计算机内存。 DH-CG410 视频图像采集的工作原理框 图如图 12 所示。
AT89C52 串行口是一个全双工的异步串行通信接口， 可以同时发送和接收数据。
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状态信息， 具有位寻址功能， 其格式如表 1 所示。
表 1 串行口控制寄存器
SM0
SM1SM2RENTB8RB8TIRISM0、 SM1 ： 串行口方式选择位。功能如表 2 所示。 表 2 串行口工作方式 SM0 0 0 1 1 SM1 0 1 0 1 模式 0 1 2 3 功能 同步移位寄存器 8 位 UART 9 位 UART 9 位 UART 波特率 fosc/12 可变 fosc/32 或 fosc/64 可变SM2 ： 允许方式 2 和 3 的多机通信使能位。
REM ： 允许串口接收位。
TB8 ： 对于方式 2 和 3， 是发送的第 9 位数据。
RB8 ： 对于方式 2 和 3， 是接收到的第 9 位数据 ； 对于方式 0， 不使用 RB8 ； 对于方式 1， 如 SM2 ＝ 0， RB8 是接收到的停止位。
TI ： 发送中断标识位。
RI ： 接收中断标识位。
波特率是在串口通信中每秒能够发送的位数。 串行口工作方式 1， 定时器 / 计数器 1 工作方式 2， 禁止定时器 / 计数器 1 中断。
波特率＝ 2SMOD× 晶振频率 /[32×12(256-TH1)]
SMOD ： 电源控制寄存器 PCON 中波特率系数控制位。
TH1 ： 定时器 / 计数器 1 初始值。
通信协议是通信设备在通信前的约定， PC 机与单片机之间进行通信， 在双方程序 设计过程中， 有如下约定 ：
0xA1 ： 单片机读取 P0 端口数据， 并将读取数据返回 PC 机 ；
0xA2 ： 单片机从 PC 机接收一段控制数据 ；
0xA3 ： 单片机操作成功信息 ；
0xF8 ： PC 机启动相机拍摄信号。
在系统工作过程中， 单片机接收到 PC 机数据信息后， 便查找协议， 完成相应的操 作。当单片机接收到 0xA1 时， 读取 P0 端口数据， 并将读取数据返回 PC 机 ； 当单片机接收到 0xA2 时， 单片机等待从 PC 机接收一段控制数据 ； 当 PC 机接收到 0xA3 时， 表明单片机操作 已经成功 ； 单片机发送到 PC 机的数据经检测为 0xF8 时， PC 机启动相机拍摄。
上位机通讯设置
实现装置自动拍摄， 一在 PC 机拍摄程序中插入通讯程序， 一在单片机控制程序内 添加通讯程序。
串口通讯初始化后， 即可以接受单片机的脉冲信号了， 这里设定单片机的数据信 号为 0XF8， 也就是说单片机发送到 PC 机的数据经检测为 0XF8 时， PC 机会启动相机拍摄程 序。
拍摄系统实现 自动拍摄系统设置波特率为 9600bit/s， 串行口工作方式 1， 定时器 / 计数器 1 工 作方式 2。装置运行由驱动控制和自动拍摄两部分组成， 当采集工作面运行至指定位置后， 单片机串口向 PC 机发出信号， PC 机的数据经检测为 0xF8 时， PC 机启动摄像机拍摄。拍摄 系统程序框图如图 13 所示。
以上已以较佳实施例公开了本发明， 然其并非用以限制本发明， 凡采用等同替换 或者等效变换方式所获得的技术方案， 均落在本发明的保护范围之内。