CN101339117A - 稻米参数自动测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种稻米参数自动测量装置及方法，本装置由预设的计算机控制，采用单株脱粒仪将稻穗脱粒，谷粒由单株脱粒仪通过直槽式接口落到皮带上，由运转的皮带分离谷粒；由X－ray成像系统拍摄X射线透射图，由计算机将所得图像进行处理，得到稻米的各项参数。本发明利用X射线成像的方法，用数字图像处理技术处理拍摄到的图像，得到稻米的各项参数，无需对脱粒后的谷粒进行去壳处理，且将脱粒、参数提取集成到一个系统中，具有安全无损、测量结果准确可靠，操作简单等优点。

Description

稻米参数自动测量装置及方法

技术领域

本发明属于机器视觉检测技术，具体涉及一种稻米参数自动测量装置及方法。该装置够自动测量一穗水稻上米粒的参数包括粒数、粒长、粒宽、粒面积等，适用于数字化农业领域。

背景技术

水稻是我国主要粮食作物之一，在水稻品种试验、示范、推广以及高产栽培试验中。都需要对水稻品种进行考种调查，以确定其利用价值。多数情况下，室内考种主要由科研人员进行人工测量。随着计算机技术的飞速发展，机器视觉技术的研究和应用越来越广泛。与人工检测技术相比，视觉检测技术具有速度快、精度高、重复性好等优点，在农产品品质检测领域有着广阔的应用前景。由于粮食结构的原因，国外对稻米检测的研究不多。中国农业大学凌云等人设计了一套动态谷物图像检测系统(文献出处：凌云，基于机器视觉的谷物外观品质检测技术研究，博士学位论文，北京：中国农业大学，2004)。系统主要由计算机和图像采集系统构成，计算机中内置图像采集卡，图像采集系统由CCD摄像机、光源系统、进料机构、驱动机构和出料机构组成。进料机构由漏斗、数粒仪、进料导槽、限位板和玻璃载物盘组成，使谷物能够单粒、顺序的下落到玻璃载物盘上，以避免采集图像时出现大量的籽粒粘连现象，但这种单粒下落的方法处理速度很慢。同时由于采用CCD拍照，只能处理脱壳后的稻米，而去壳过程中很容易造成米粒的损伤。

发明内容

本发明的目的在于提供一种稻米参数自动测量装置及方法，该装置能够自动测量一穗水稻上米粒的参数包括粒数、粒长、粒宽、粒面积等。

本发明提供的稻米参数自动测量装置，包括光电开关1、可控升降板2、单株脱粒仪3、控制按钮4、射线源铅盒5、X射线源6、X射线探测器7、手动平移台8、皮带9、毛刷10、铅箱11、X射线源控制器12、计算机13、皮带控制器14，光电开关1分别与可控升降板2和计算机13相连，且光电开关1和可控升降板2位于单株脱粒仪3入口处，控制按钮4分别与可控升降板2及计算机13相连，X射线源6放置在铅盒5中，铅盒5置于皮带9上侧，铅盒朝向探测器一面的中部开有一圆形孔，X射线探测器7位于皮带9内侧，X射线探测器7通过螺钉固定在手动平移台8上，通过手动平移台调节X射线探测器7的水平位置使得X射线源6和X射线探测器7位于同一垂直平面上，X射线源6与X射线源控制器12相连，X射线探测器7通过USB接口与与计算机13连接，射线源铅盒5、X射线源6、X射线探测器7、手动平移台8、皮带9及毛刷10都包在铅箱11内部，皮带9与皮带控制器14相连，毛刷10位于皮带9下部外侧。铅盒及铅箱都是用于安全防护。

稻米参数自动测量方法，按以下步骤进行：(1)打开X射线源控制器、单株脱粒仪和计算机，每进行一穗水稻的测量工作前，操作人员先按下控制按钮，控制按钮发出信号给计算机，通知计算机开始新的一穗的测量。把稻穗放到单株脱粒仪入口处，光电开关检测到人手后，发出信号给计算机，当且仅当计算机接收到了控制按钮和光电开关两个信号后，计算机才控制可控升降板上升，暴露出打谷口，允许单株脱粒仪开始打谷。同时计算机开始延时，谷粒由单株脱粒仪出口通过直槽式接口落到皮带上，由运转的皮带分离谷粒，延时1s后，计算机开始启动X射线探测器拍摄谷粒的图像数据，完成脱粒工作后，操作人员将脱粒后的稻穗取出，光电开关检测到人手的离开，发出信号给计算机，计算机控制可控升降板下降，计算机开始延时，延时4s后计算机停止数据采集；(2)计算机经过数字图像处理及分析后得到稻米的参数包括粒数、粒长、粒宽、粒面积。

数字图像处理及分析包括以下几个步骤：(1)拍摄的图像中存在较大噪声，本系统采用NL-means滤波法及中值滤波法滤除图像的噪声；(2)将去噪后的图像阈值二值化，本系统采用聚类法；(3)将二值化后的图像进行去除小粒子的操作，去掉二值化图像中的背景噪声；(4)去噪后的图像进行开操作，去掉微弱边缘，然后进行填充操作，填补米粒中间的孔洞；(5)对处理后的图像进行距离变换得到图像的距离函数；(6)对距离图像进行灰度重建，去掉图像中的区域极大值，起到‘削峰’的作用；(7)对重建后的图像进行分水岭分割；(8)对分割后的图像单个粒子区域进行椭圆拟合，得到各谷粒的粒长、粒宽，并通过数区域内的像素个数得出粒面积；(9)分水岭分割后可能还存在未分割的粘连籽粒，通过面积判断的方法将这些籽粒进行平均化处理；面积阈值的选取方法是求(8)中得到的所有粒面积的平均值的倍数。本系统采用1.5倍平均面积作为面积阈值。

NL-means又称为非局部均值化方法，该算法滤波后的值具有如下公式：

$\mathrm{NLu}\left(x\right)=\frac{1}{C\left(x\right)}{\∫}_{\mathrm{\Ω}}{e}^{-\frac{(G_a*{|u(x+.)-u(y+.)|}^2)\left(0\right)}{h^2}}u\left(y\right)\mathrm{dy},$

这里G_a是一个Gaussian核，其标准差为a，C(x)是归一化因子，h为滤波参数。

$(G_a*{|u(x+.)-u(y+.)|}^2)\left(0\right)={\∫}_{i^2}{G}_a\left(t\right){|u(x+t)-u(y+t)|}^2\mathrm{dt}.$

该公式意味着u(x)是用u(y)平均值的权重所代替。权重仅仅在包围y的高斯窗口相似于包围x的高斯窗口是较大的。因此NL-means算法使用自相似性来去掉噪声。这样可在滤除噪声的同时较好的保护边缘。

本发明由预设的电脑程序控制，采用单株脱粒仪将稻穗脱粒，谷粒由单株脱粒仪通过直槽式接口落到皮带上，由运转的皮带分离谷粒；由X-ray成像系统拍摄X射线透射图，由计算机将所得图像进行处理，得到稻米的各项参数。

本发明利用X射线成像的方法，用数字图像处理技术处理拍摄到的图像，得到稻米的各项参数。无需对脱粒后的谷粒进行去壳处理，且将脱粒、参数提取集成到一个系统中，具有安全无损、测量结果准确可靠，操作简单等优点。

附图说明

图1为本发明稻米参数自动测量装置的结构示意图；

图2为水稻样品结果图；

图3为样品粒面积直方图；

图4为样品粒长直方图；

图5为样品粒宽直方图。

具体实施方式

下面结合附图和实例对发明作进一步详细的说明。

本发明提供的稻米参数自动测量装置，包括光电开关1、可控升降板2、单株脱粒仪3、控制按钮4、射线源铅盒5、X射线源6、X射线探测器7、手动平移台8、皮带9、毛刷10、铅箱11、X射线源控制器12、计算机13、皮带控制器14，光电开关1分别与可控升降板2和计算机13相连，且光电开关1和可控升降板2位于单株脱粒仪3入口处，控制按钮4分别与可控升降板2及计算机13相连，X射线源6放置在铅盒5中，铅盒5置于皮带9上侧，铅盒朝向探测器一面的中部开有一圆形孔，X射线探测器7位于皮带9内侧，X射线探测器7通过螺钉固定在手动平移台8上，通过手动平移台调节X射线探测器7的水平位置使得X射线源6和X射线探测器7位于同一垂直平面上，X射线源6与X射线源控制器12相连，X射线探测器7通过USB接口与与计算机13连接，射线源铅盒5、X射线源6、X射线探测器7、手动平移台8、皮带9及毛刷10都包在铅箱11内部，皮带9与皮带控制器14相连，毛刷10位于皮带9下部外侧。铅盒及铅箱都是用于安全防护。

其中，包括皮带9、毛刷10、皮带控制器14构成流水线系统，为定做的。皮带采用对射线衰减较小的薄皮带，皮带控制器带数码显示，可以精确调节皮带速度并用于与X射线探测器速度的匹配。扇束X射线源6和线阵X射线探测器7构成X射线成像系统，装置采用扇束X射线源，发出扇形射线束，相对应的X射线探测器也采用线阵列，X射线成像系统采用线扫描的方式成像，因此皮带的运转速度必须与X射线探测器的扫描速度完全匹配上才能得到不失真的图像，速度匹配的实验方法是采用标准样品进行拍摄，得到不变形的图像即说明速度完全匹配上了。

稻米参数自动测量方法，按以下步骤进行：(1)打开X射线源控制器、单株脱粒仪和计算机，每进行一穗水稻的测量工作前，操作人员先按下控制按钮，控制按钮发出信号给计算机，通知计算机开始新的一穗的测量，把稻穗放到单株脱粒仪入口处，光电开关检测到人手后，发出信号给计算机，当且仅当计算机接收到了控制按钮和光电开关两个信号后，计算机才控制可控升降板上升，暴露出打谷口，允许单株脱粒仪开始打谷，同时计算机开始延时，谷粒由单株脱粒仪出口通过直槽式接口落到皮带上，由运转的皮带分离谷粒，延时1s后，计算机开始启动X射线探测器拍摄谷粒的图像数据，完成脱粒工作后，操作人员将脱粒后的稻穗取出，光电开关检测到人手的离开，发出信号给计算机，计算机控制可控升降板下降，计算机开始延时，延时4s后计算机停止数据采集；(2)计算机经过数字图像处理及分析后得到稻米的参数包括粒数、粒长、粒宽、粒面积。

整个过程中流水线系统、单株脱粒仪、X射线源、X射线探测器都为连续工作。

实例：

实验标准材料：1元硬币，其直径为25mm。

将一元的硬币置于皮带上进行扫描拍摄，得到其直径测量值为79个像素；像素长、宽均为0.4mm，即测量值为79*0.4mm＝31.6mm。

实际直径：25mm

X射线成像系统放大倍率＝像宽/物宽＝31.6mm/25mm＝1.3

实验生物材料：成熟的水稻。将一穗成熟的水稻置于本发明的装置入口处，按上述方法进行操作，最后得到该稻穗的粒数为172粒，米粒的平均粒面积、平均粒长、平均粒宽分别为97.94、17.94、6.81(以像素为单位)，对应实际值分别为

实际平均粒面积＝97.94*0.4*0.4/(1.3*1.3)＝9.3mm²，

实际平均粒长＝17.94*0.4/1.3＝5.5mm，

实际平均粒宽＝6.81*0.4/1.3＝2.1mm。

目前粒长、粒宽的手动测量方法是采用直尺法。手动测量粒长、粒宽平均值分别为5.8mm、2.0mm，相对误差分别为5.17％、5％。这个误差主要是由于米粒的质量不一样，而用直尺测量只能测表面长度，米粒的饱满度对其测量结果无影响，但是本方法还可反映米粒的饱满度。这也是本装置的优势之一。粒面积暂时无简单的手动测量方法。

Claims (3)

1、稻米参数自动测量装置，包括光电开关(1)、可控升降板(2)、单株脱粒仪(3)、控制按钮(4)、射线源铅盒(5)、x射线源(6)、x射线探测器(7)、手动平移台(8)、皮带(9)、毛刷(10)、铅箱(11)、x射线源控制器(12)、计算机(13)、皮带控制器(14)，其特征在于：光电开关(1)分别与可控升降板(2)和计算机(13)相连，且光电开关(1)和可控升降板(2)位于单株脱粒仪(3)入口处，控制按钮(4)分别与可控升降板(2)及计算机(13)相连，X射线源(6)放置在铅盒(5)中，铅盒(5)置于皮带(9)上侧，铅盒朝向探测器一面的中部开有一圆形孔，X射线探测器(7)位于皮带(9)内侧，X射线探测器(7)通过螺钉固定在手动平移台(8)上，通过手动平移台(8)调节X射线探测器(7)的水平位置使得X射线源(6)和X射线探测器(7)位于同一垂直平面上，X射线源(6)与X射线源控制器(12)相连，X射线探测器(7)通过USB接口与与计算机(13)连接，射线源铅盒(5)、X射线源(6)、X射线探测器(7)、手动平移台(8)、皮带(9)及毛刷(10)都包在铅箱(11)内部，皮带(9)与皮带控制器(14)相连，毛刷(10)位于皮带(9)下部外侧。

2、稻米参数自动测量方法，按以下步骤进行：(1)打开X射线源控制器、单株脱粒仪和计算机，操作人员先按下控制按钮，控制按钮发出信号给计算机，通知计算机开始新的一穗的测量，把稻穗放到单株脱粒仪入口处，光电开关检测到人手后，发出信号给计算机，当且仅当计算机接收到了控制按钮和光电开关两个信号后，计算机才控制可控升降板上升，暴露出打谷口，允许单株脱粒仪开始打谷，同时计算机开始延时，谷粒由单株脱粒仪出口通过直槽式接口落到皮带上，由运转的皮带分离谷粒，延时1s后，计算机开始启动X射线探测器拍摄谷粒的图像数据，完成脱粒工作后，操作人员将脱粒后的稻穗取出，光电开关检测到人手的离开，发出信号给计算机，计算机控制可控升降板下降，计算机开始延时，延时4s后计算机停止数据采集；(2)计算机经过数字图像处理及分析后得到稻米的参数包括粒数、粒长、粒宽、粒面积。

3、根据权利要求2所述的稻米参数自动测量方法，其特征在于：所述的数字图像处理及分析包括以下几个步骤：(1)中值滤波：对拍摄的图像进行中值滤波滤除图像的噪声；(2)将去噪后的图像阈值二值化；(3)将二值化后的图像进行去除小粒子的操作，去掉二值化图像中的背景噪声；(4)去噪后的图像进行开操作，去掉微弱边缘，然后进行填充操作，填补米粒中间的孔洞；(5)对处理后的图像进行距离变换得到图像的距离函数；(6)对距离图像进行灰度重建，去掉图像中的区域极大值；(7)对重建后的图像进行分水岭分割；(8)对分割后的图像单个粒子区域进行椭圆拟合，得到各谷粒的粒长、粒宽，并通过数区域内的像素个数得出粒面积；(9)分水岭分割后可能还存在未分割的粘连籽粒，通过面积判断的方法将这些籽粒进行平均化处理；面积阈值的选取方法是求(8)中得到的所有粒面积的平均值的倍数。

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