线阵CCD技术在测量植物生长量方面的应用

２００６年第２５卷第１２期　彳ｊｋ、　传感器与微系统（Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ　ａｎｄ　Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍ　Ｔｅｃｉｍｏｌｏｇｉｅｓ）　７３　，应，　，用矿　技　～术～　线阵ＣＣＤ技术在测量植物生长量方面的应用　魏军利　，宋良图　（１．中国科学院合肥智能机械研究所，安徽合肥２３００３１；２．中国科学技术大学，安徽台肥２３００２６）　摘耍：为了能够自动测母植物生长增量，采用了一种基于激光准直光源加线阵电倚耦合器件（ＣＣＤ）的　光路结构，提出了一种用数字电位器来控制二值化电路的方法。基ｌ奉原理足将被测物体投影在线阡ＣＣＤ　上，通过分析和比较ＣＣＤ视频输出信号，将ＣＣＤ像元的空间序列转换成电压的时ＩＨ＿Ｊ序列。由此得到感光　像元的个数，进而计算投影尺寸得到被测物体的高度。实验结果验证了该系统可靠且实用。　关键词：电荷耦合器件；二值化；数字电位器；浮动闽值　中图分类号：ＴＰ２１６　文献标识码：Ａ　文章编号：１０００—９７８７（２００６）１２—００７３—０３　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ。ｉｏｎ　ｉｎ　ｍｅａｓｕｒｉ　’ｎｇ　ｐｌａｎｔｐｌａｎｔ　ＲＪ）　ｇｒｏｗｔｈ　ｉｗｔｈ‘　ｎｃｒｅｍｅｎｔ　ｗｌ。　’ｔｎ　ａ　ｌｌｉｌｎｅａｒｎｅａｒ　Ｃ　ＣＤ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ＷＥＩ　Ｊｕｎ—ｌｉ　ｒ，ＳＯＮＧ　Ｌｉａｎｇ—ｔｕ　（１．Ｈｅｆｅｉ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　Ｍａｃｈｉｎｅｓ，Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ａｅｄａｍｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｈｅｆｅｉ　２３００３１，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　Ｃｈｉｎａ，Ｈｅｆｅｉ　２３００２６，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｒ　ａｕｔｏｍａｔｉｃ　ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｐｌａｎｔ　ｇｒｏｗｔｈ　ｉｎｃｒｅｍｅｎｔ，ａ　ｏｐｔｉｃａｌ　ａｒｃｈｉｔｅｃｔｏｎｉｃｓ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｌａｓｅｒ　ｃｏｌｌｉｍａｔｉｎｇ　ｌｉｇｈｔ　ｓｏｕｒｃｅ　ａｎｄ　ｌｉｎｅａｒ　ＣＣＤ　ｉｓ　ａｄｏｐｔｅｄ．Ａ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ　ｂｉｎａｒｉｚａｔｉｏｎ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｗｉｔｈ　ｄｉｇｉｔａｌ　ｐｏｔｅｎｔｉｏｍｅｎｔｅｒ　ｉｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ，Ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｉｓ　ｐｒ￣ｅｃｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｏｂｊｅｃｔ　Ｏｎ　ｌｉｎｅａｒ　ＣＣＤ　ａｎｄ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍｉｎｇ　ｔｈｅ　ｓｐａｃｉａｌ　ｓｅｒｉｅｓ　ｏｆ　ＣＣＤ　ｐｉｘｅｌｓ　ｉｎｔｏ　ｔｈｅ　ｔｉｍｅ　ｓｅｒｉｅｓ　ｏｆ　ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ　ｖｏｌｔａｇｅｓ　ｂｙ　ａｎａｌｙｚｉｎｇ　ａｎｄ　ｃｏｍｐａｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｏｕｔｐｕｔ　ｓｉｇｎａｌｓ　ｏｆ　ＣＣＤ　ｖｉｄｅｏ，Ｔｈｅ　ｎｕｍｂｅｒ　（ｉｆ　ｔｈｅ　ｓｅｎｓｉｔｉｚｅｄ　ＣＣＤ　ｐｉｘｅｌｓ　ｉｓ　ｇｏｔ，ｔｈｅ　ｈｅｉｇｈｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｏｂｊｅｃｔ　ｉｓ　ｏｂｔａｉｎｅｄ　ｂｙ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｓｉｚｅ　ｏｆ　ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ．Ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅ　ｔｈｅ　ａｖａｉｌａｂｉｌｉｔｙ　ａｒｉｄ　ｐｒａｃｔｉｃａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｉｓ　ｓｙｓｔｅｍ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｃｈａｒｇｅ　ｃｏｕｐｌｅｄ　ｄｉｖｉｃｅ（ＣＣＤ）；ｂｉｎａｒｉｚａｔｉｏｎ；ｄｉｇｉｔａｌ　ｐｏｔｅｎｔｉｏｍｅｎｔｅｒ；ｌｆｕｃｔｕａｔｅｄ　ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ　ｖａｌｕｅ　０引言　上，倘若平行光准直度很理想，阴影的尺寸就代表了待测目　近年米，各种线阵ＣＣＤ测量系统大量出现，并广泛应　标的尺寸　。住植物边沿处由十强烈的明暗对比而使　用于非接触式检测、光谱探测以及高速检测等领域。由于　ＣＣＤ感歧出　度很大的电荷，从而表现…不同的电压幅　ＣＣＤ传感器具有自扫描、高灵敏、低噪声、长寿命、低功耗　值，然后，用一阈值和ＣＣＤ的输出比较，将感光和没有感光　和高可靠等优点，因而，・直受到人们的高度重视，发展十　的像元划分成不同的逻辑电平，从『　可以检测出感光像元　分迅速…。　的个数，由此可以测量被测物体的高度。每隔一定的时问　奉文要讨论的是非接触式检测植物生长增量，将这个　测最一次，相临两次测量值之差就是植物在这段日、Ｊ间间隔　参数作为整个农、【　信息采集系统的一路信息　，也即用线　内的牛长增景。　阵ＣＣＤ作为榆测植物生Ｋ增量的传感器。由数据采集系　１．２系统构成　统将植物的牛长信息传递给农业信息数据库，为农业专家　整个系统由平行光路、线阵ＣＣＤ及驱动电路、二值化　系统提供有效可靠的数据。其巾，在整个系统中起关键性　与计数显示电路和Ｄ／Ａ转换电路等组成，最后，町以得到　的是对ＣＣＤ视频信号处理巾比较器阈值的设计，本文提出　标准的０～５Ｖ的模拟信号输出。系统框图直Ｉｌ幽Ｉ所，Ｊｉ。　Ｊ，一种用数字电位器来控制浮动闽值的方法，这种方法操　１．２．１　ＣＣＤ和光源　作简单、易ｆ宜现，取得了较好的效果。　用６５０ｎｍ固体激光器产ｚ　的激光作为系统的平｛　光　１　测量原理及系统构成　源来照射植物使其投影在ＣＣＤ　为Ｊ，屏蔽掉自然光等　１．１　基本原理　杂光的影响和提高系统的抗十扰能力，需要川到带宽较窄　基本原理是用平行光源来照射植物，使其投影住ＣＣＤ　的带通滤波器，问时，激光的强度远远超过（：ｃＤ饱和ＨＩｆ所　收稿日期：２００６—０５—２２　维普资讯 http://www.cqvip.com

７４　传感器与微系统　第２５卷　电压比较器　行同步信号　态触发器　像元同步信号Ｌ＿Ｊ　Ｌ　图２浮动阈值和二值化电路原理　Ｆｉｇ　２　Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ｌｆｕｃｔｕａｔｅｄ　ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ　ｖａｌｕｅ　ａｎｄ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｏｆ　ｂｉｎａｒｉｚａｔｉｏｎ　ＣＣＤ视频　二龇　ｒ＿］厂］ｒ＿］厂　图３二值化波形图　Ｆｉｇ　３　Ｂｉｎａｒｉｚａｔｉｏｎ　ｗａｖｅ　ｃｕｒｖｅｓ　比较器的阈值设计存整个系统中占有比较重要的地　位，因此，选择ｗ为按键式数字电位器，取代传统的机械式　电位器，具有按钮控制、线性输出、调节准确和方便等特点，　电位器的滑动臂位置由按键决定，且其位置数据可保持在　非易失性的ＥＥＰＲＯＭ中，并且，按键町以装在仪器而板上，　这样，可以方便地调节和调试比较器的反相输入端，在使用　过程中，可对不同的使用情况进行相应的调节，为ｒ控制输　入信号的抖动和噪声影响，在数字电位器的控制端加上触　发器，按键南不可重复触发的单稳态触发器来锁存，以防止　由于按键抖动和重复动作等问题引起的按键次数及输出值　与预测值不符的情况发生。由于数字电位器有分辨力限　制，用一个数字电位器调节其分辨力达不到要求，可以用　２个数字电位器级联来组合成一个高分辨力的电位器，按　键锁存和电位器级联原理见图４。　（ａ）按键锁存　（ｂ１电位器级联原理　（ａ）ｋｅｙ—ｐｒｅｓｓｅｄ　ｌｏｃｋ　（ｂ）ｐａｒａｌｌｅｌ　ｐｏｔｅｎｔｉｏｍｅｎｔｅｒ　图４按键锁存和电位器级联原理　Ｆｉｇ　４　Ｋｅｙ－ｐｒｅｓｓｅｄ　ｌｏｃｋ　ａｎｄ　ｐａｒａｌｌｅｌ　ｐｏｔｅｎｔｉｏｍｅｎｔｅｒ　电路采用Ｄ／Ａ转换得到０—５Ｖ标准信号。在本系统　中，没有将计数器输出的数据以数字量直接与计算机相连　接而是将其转换成标准的模拟量输出，有２个原凶：一是所　得到的数据是整个信息采集系统的一部分，而日．，每隔相当　长的一段时间（植物生长的速度比较慢，需要一定的时间　传感器才能分辨出来）测量一次，将其作为传感器是合适　的，这样，可以将它适用于任何能支持标准形式的数据采集　系统中，而不占用整个系统的通道；二是由于被测量物体是　植物，很多时候测最点在田间，受地理条件的限制，不便与　计算机连接。这样做的缺点是将本来是数字量的输出结果　经过Ｄ／Ａ，然后，再经过采集系统的Ａ／Ｄ还原，虽然理论上　只要要求采集系统的Ａ／Ｄ转换的分辨力大于或等于Ｄ／Ａ　转换的分辨力，经过Ｄ／Ａ和Ａ／Ｄ后输出应该是一样的，但　实际中存在各种干扰和不定因素，会使最后的测量结果与　先前的有一定的误差，可以用多次测量求平均值来减少误　差。由于ＣＣＤ有２７００个像元，所以，至少需要选择ｌ２位　的计数器，Ｄ／Ａ的位数和计数器的一样，都选择ｌ２位的芯　片（ＣＤ４０４０和ＡＤ７５４１），需要将输出转变为标准的０—５　Ｖ　信号，即当计数器输出为０时，Ｄ／Ａ输出为０Ｖ，当计数器输　出为２７００时，Ｄ／Ａ输出为５　Ｖ，由于Ｄ／Ａ转换受其参考输　入端｛孛制，需要计算参考端的电压，当计数器输出全部为高　电平时，Ｄ／Ａ输出参考电压值　可得　＝（４０９６／２７００）×５＝７．５８５　Ｖ．　２软件设计　由采集系统将０—５Ｖ的模拟信号转换成数字量，再折　维普资讯 http://www.cqvip.com

第１２期　魏军利等：线阵ＣＣＤ技术在测量植物生长量方面的应用　７５　算成对应感光像元的个数，用２７００减去感光像元个数，就　是没有感光像冗的个数，用它乘以每个像元的宽度　（１１　ｍ），就得到被测物体的高度，以一定的时间间隔（如　几个小时）来测量植物，这样，前后２次测量的差值就是这　个间隔内植物的生长量。设ＣＣＤ输出的高电平持续时间　是７１，每个像元宽度是　，像元同步信号的频率是Ｆ，感光像　敏元的个数是Ｍ．ＣＣＤ总的像元个数是　，待测植物的高度　所对应的像元个数是Ｈ，可以用如下的公式来表示为　Ｍ＝Ｔ・Ｆ，　（１）　Ｈ＝Ｒ—Ｍ．　（２）　若以ｔ　＝ｔ。＋ｋＡｔ表示测量时间序列；　为初始测量时　刻；可赋值为Ｏ，在每个时间点上进行测量，令Ｈ（ｔ）为在ｔ　时刻的测量值，则　△　＝Ｈ（ｔ　）一Ｈ（ｔ　），　（３）　可表示在（ｎ—ｍ）　时间间隔内植物生长所对应的像　元个数，由于每个像元的宽度是Ａ，则在（　—ｍ）　时间段　内植物的生长量为Ａ△　。　实验表明：被测目标的实际尺寸　和对应的像元数　间满足下列关系　Ｌ　＝Ｋ・Ｎ　＋ｂ，　（４）　式巾ｂ为测量中的系统误差，通过２次标定就可以确定　和ｂ值。在被测位置上放已知尺寸为Ｌ。和　的标准块，通　过采集系统测得相应的ＣＣＤ像元数ⅣＩ和　，则由式（４）　可得　Ｌｌ＝Ｋ・Ｎｌ＋ｂ，　（５）　Ｌ２＝Ｋ・Ｎ２＋ｂ．　（６）　由式（５）和式（６）可推算出　和ｂ为　Ｋ＝（　２一　１）／（Ｎ２一，ｖ１），　如果１ｖ２＞Ｎ　，则　６＝Ｌｌ—Ｋ・Ｎ１．　当测得被测物体像元数为　时，被测尺寸　为　Ｌ　＝Ｋ（Ⅳｘ一Ⅳ１）＋　１．　（７）　采用二次标定法可以消除系统误差的影响。　３实验结果及需要讨论的问题　３．１　实验结果　在普通光环境中，３个标准的物体测量数据如表１。　表１实验数据　Ｔａｂ　１　Ｄａｔａ　ｏｆ　ｅｘｐｅｒｔｍｅｎｔ　由实验结果表明：该系统可以用来测量植物生长增量　且满足要求。　图５是在实验过程中由示波器观测到的ＣＣＤ视频输　出经过二值化处理前后的对比图。（ａ）中低电压值部分表　示没有感光或者微弱感光的像元所对应的电压值，这些值　不为零，它们包括由暗电流和噪声等干扰所造成的影响，从　高电压部分到低电压部分虽然很陡峭，但不是一个突变的　过程，是一个连续的模拟曲线；（ｂ）足二值化后的ＣＣＤ视频　输出，它只有２种取值：高电平和低电平，由高电平到低电　平的变化是一个突变的过程，而且，（ａ）中低电压值部分被　处理为零，这样，高电平部分代表感光像元，低电平部分代　表没有感光的像元。　’　（ａ）二值化处理前波形　（ｂ）二值化处理后波形　（ａ）ｗａｖｅ　ｂｅｆｏｒｅ　ｂｉｎａｒｉｚａｔｉｏｎ　（ｂ）ｗａｖｅ　ａｆｔｅｒ　ｂｉｎａｒｉｚａｔｉｏｎ　图５波形图　Ｆｉｇ　５　Ｔｈｅ　ｗａｖｅ　ｂｅｆｏｒｅ　ａｎｄ　ａｆｔｅｒ　ｂｉｎａｒｉｚａｔｉｏｎ　３．２讨论　影响系统精度的因素主要有以下几个方面：（１）平行光　源的准直度，由于使用半导体激光器做准直光源，这里的误　差将很小；（２）ＣＣＤ和光源的距离，虽然采用激光作为准直　光源，但也存在一定的发散角，因此，在测量时，尽最将植物　与ＣＣＤ接近，可以降低误差；（３）滤波片的半带宽越小，杂光　干扰越小；（４）比较器阈值的选择，通过实验在系统标定时　调节阈值，使上述的ｂ最小；（５）Ｄ／Ａ转换所带来的误差。　由于被测量是植物的生长增量，植物生长虽然较慢，但　其高度总是增加的，总有机会超过ＣＣＤ的高度，为了适应　这种变化，需要一种动力机构来抬升ＣＣＤ。使植物的最高　端总是在ＣＣＤ的测量范围之内。　４结论　论述＿『采用ＣＣＤ技术进行非接触动态测量植物生长　的方法，使该系统作为整个采集系统的一个传感器。本系　统具有硬件简单、成本较低、可靠实用等特点，在农作物信　息采集系统中有一定的应用价值。　参考文献：　［１］ＬＩ　Ｋａｉ－ｍｉｎｇ．Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　ｉｎｓｔａｎｔ　ｔａｎｅａｌｌ￥ｐｌａｎａｒ　ｍｏｔｉｏｎ　ｏｆ　ｒｉｇｉｄ　ｂｏｄｙ　ｗｉｔｈ　ａ　ｌｉｎｅａｒ　ＣＣＤ［Ｊ］．ＳＰＩＥ，２０００，（３５５８）：３４５—　３４６．　［２］　裘正军．基于ＧＰＳ，ＧＩＳ及虚拟仪器的精细农业信息采集与　处理技术的研究［Ｄ］．杭州：浙江大学。２００３．５２—５４．　［３］　蔡文贵．ＣＣＤ技术及应用［Ｍ］．北京：电子工业出版社，　１９９２．４２—４６．　［４］　庆有．ＣＣＤ应崩技术［Ｍ］．天津：天津大学　版丰十，２０００．　１２０—１２２．　［５］　王伟，邵德奇．ＣＣＤ信号处理技术及其在Ｋ度测量中的应　用［Ｊ］．光电工程，１９９９，（６）：５６—５８．　作者简介：　魏军利（１９８０一），男。内蒙古鄂尔多斯人，倾士研究生，主要研　究　向为农业信息采集与检测．嵌入式系统Ｊ　ｒ发