CN101339118A

CN101339118A - 谷粒参数自动测量装置及方法

Info

Publication number: CN101339118A
Application number: CNA2008100487411A
Authority: CN
Inventors: 骆清铭; 曾绍群; 毕昆; 方伟
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2008-08-08
Filing date: 2008-08-08
Publication date: 2009-01-07

Abstract

本发明涉及一种谷粒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扩展接口落到皮带上，由运转的皮带分离谷粒；由CCD相机拍摄谷粒图像，并通过图像采集卡传给计算机，由计算机将所得图像进行处理，得到谷粒的各项参数。本发明利用CCD成像的方法，通过数字图像处理技术对拍摄到的图像进行处理，得到谷粒的长、宽、面积参数及粒数。整个过程由预设的电脑程序控制自动化完成，方面快捷，操作简单。

Description

谷粒参数自动测量装置及方法

技术领域

本发明属于数字图像处理技术，具体涉及一种谷粒参数自动测量装置及方法，该装置能够自动测量谷粒参数，适用于数字化农业领域。

背景技术

数字图像处理与模式识别技术在几十年内得到迅速发展并在工业自动化、智能交通、卫星遥感、军事侦察、生物医学等应用领域中得到广泛的应用。利用数字图像处理技术进行植物参数的自动提取是一种非常有前途的技术，尤其在数字化农业日益推广的今天。计算机视觉技术已经开始得到植物学等基础学科研究人员的关注，国外出现了一些成熟的产品，国内基本上还处在实验室阶段，而且从事的人员也很有限。

发明内容

本发明的目的在于提供一种谷粒参数自动测量装置及方法，该装置能够自动测量谷粒长、宽、面积等参数。

本发明提供的谷粒参数自动测量装置，包括光电开关1、可控升降板2、单株脱粒仪3、控制按钮4、CCD相机5、皮带6、毛刷7、安全防护设施8、计算机9、皮带控制器10、图像采集卡11，光电开关1与可控升降板2相连，都位于单株脱粒仪3入口处，控制按钮4分别与可控升降板2及计算机9相连，CCD相机5依次与图像采集卡11、计算机9相连，CCD相机5利用三脚架支持并固定，其镜头正对皮带6，CCD相机5、皮带6及毛刷7都安装在安全防护设施8内，皮带6与皮带控制器10相连，毛刷7位于皮带6下部外侧。

谷粒参数自动测量方法，按以下步骤进行：(1)将稻穗按照要求放入脱粒机中脱粒，谷粒由脱粒机的扩展接口掉落到传送皮带上，线阵列CCD相机在传送皮带行进的过程中拍摄谷粒图像，图像由图像采集卡返回给计算机；(2)计算机通过图像处理以及谷粒参数统计算法后即可求得谷粒的粒数、粒长、粒宽、粒面积参数。

谷粒参数统计算法分为图像处理和计算两个部分，图像处理按照以下步骤进行：(1)、提取图像的RGB分量：将图像的RGB分量提取，选择背景与前景对比度最大的分量来做图像处理；(2)、边缘增强：为了保护图像中谷粒的边缘不在滤波的过程中模糊，采用边缘增强处理；(3)、中值滤波：对分量图像进行中值滤波去除噪声；(4)、二值化：将中值滤波后的图像转化为二值化图；(5)、去除小区域：设定面积阈值，去掉区域面积在阈值以下的小区域；(6)、填充：填充图像中因为谷粒外观或者光照条件的影响所产生的；(7)、距离变换：将二值化的谷粒图像通过距离变换成为有梯度变换的距离图像；(8)、灰度重建：通过灰度重建变换，将图像的部分峰值去除；(9)、分水岭变换：通过分水岭变换算法将粘连谷粒分离开为单独对象；(10)、参数统计：对经过上述处理后的图像，进行各种参数的统计。

本发明利用CCD成像的方法，通过数字图像处理技术对拍摄到的图像进行处理，得到谷粒的长、宽、面积参数及粒数。整个过程由预设的电脑程序控制自动化完成，方面快捷，操作简单。

附图说明

图1为本发明谷粒参数测量装置的结构示意图；

图2a为图像边缘增强处理结果图。

图2b为图像二值化处理结果图。

图2c为图像填充处理结果图。

图2d为图像距离变换结果处理结果图。

图2e为图像灰度重建处理结果图。

图2f为图像分水岭变换处理结果图。

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。

如图1所示，本发明提供的谷粒参数自动测量装置，包括光电开关1、可控升降板2、单株脱粒仪3、控制按钮4、CCD相机5、皮带6、毛刷7、安全防护设施8、计算机9、皮带控制器10、图像采集卡11，光电开关1与可控升降板2相连，都位于单株脱粒仪3入口处，控制按钮4分别与可控升降板2及计算机9相连，CCD相机5依次与图像采集卡11、计算机9相连，CCD相机5利用三脚架支持并固定，其镜头正对皮带6，CCD相机5、皮带6及毛刷7都安装在安全防护设施8内，皮带6与皮带控制器10相连，毛刷7位于皮带6下部外侧。

谷粒参数自动测量方法，按以下步骤进行：(1)将稻穗按照要求放入脱粒机中脱粒，谷粒由脱粒机的扩展接口掉落到传送皮带上，线阵列CCD相机在传送皮带行进的过程中拍摄谷粒图像，图像由图像采集卡返回给计算机；(2)计算机通过图像处理以及谷粒参数统计算法后即可求得谷粒长、宽、面积等参数。

其中，包括皮带6、毛刷7、皮带控制器10、构成流水线系统，由加工厂定做。皮带的颜色需要方便分开背景与谷粒，以蓝色或者黑色较好。皮带控制器需要比较精确的调节，用来调节皮带速度使其与CCD成像速度匹配。CCD相机为线阵列相机，采用线扫描的方式成像，因此皮带的运转速度必须与CCD的扫描速度匹配上才能得到不失真的图像，速度匹配用标准样品进行拍摄就可确定。

打开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扩展接口掉落到皮带上，由运转的皮带分离谷粒，延时1s后，计算机开始采集CCD拍摄的图像数据，通过图像采集卡传送入计算机；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，开始图像处理工作，得到谷粒的粒长、粒宽、粒面积、粒数。整个过程中流水线系统、CCD都为连续工作。图像在传入计算机后开始图像处理程序。

谷粒参数算法分为图像处理和计算两个部分，图像处理按照以下步骤进行：(1)、提取图像的RGB分量：将图像的RGB分量提取，选择背景与前景对比度最大的分量来做图像处理；(2)、边缘增强：为了保护图像中谷粒的边缘不在滤波的过程中模糊，采用边缘增强处理，如图2a所示；(3)、中值滤波：对分量图像进行中值滤波去除噪声；(4)、二值化：将中值滤波后的图像转化为二值化图，如图2b所示；(5)、去除小区域：设定面积阈值，去掉区域面积在阈值以下的小区域；(6)、填充：填充图像中因为谷粒外观或者光照条件等的影响所产生的，如图2c所示；(7)、距离变换：将二值化的谷粒图像通过距离变换成为有梯度变换的距离图像，如图2d所示；(8)、灰度重建：通过灰度重建变换，将图像的部分峰值去除，如图2e所示；(9)、分水岭变换：通过分水岭变换算法将粘连谷粒分离开为单独对象，如图2f所示；(10)、参数统计：对经过上述处理后的图像，就可以进行各种参数的统计。计算部分比较简单，将统计的图像上独立对象的面积、长、宽以及粒数，进行像素值换算就得到谷粒的粒数、粒长、粒宽、粒面积。

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

CCD相机放大倍率＝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

1、谷粒参数自动测量装置，包括光电开关(1)、可控升降板(2)、单株脱粒仪(3)、控制按钮(4)、CCD相机(5)、皮带(6)、毛刷(7)、安全防护设施(8)、计算机(9)、皮带控制器(10)、图像采集卡(11)，光电开关(1)与可控升降板(2)相连，都位于单株脱粒仪(3)入口处，控制按钮(4)分别与可控升降板(2)及计算机(9)相连，CCD相机(5)依次与图像采集卡(11)、计算机(9)相连，CCD相机(5利用三脚架支持并固定，其镜头正对皮带(6)，CCD相机(5)、皮带(6)及毛刷(7)都安装在安全防护设施(8)内，皮带(6)与皮带控制器(10)相连，毛刷(7)位于皮带(6)下部外侧。

2、根据权利要求1所述的谷粒参数自动测量装置的谷粒参数自动测量方法，按以下步骤进行：(1)将稻穗按照要求放入脱粒机中脱粒，谷粒由脱粒机的扩展接口掉落到传送皮带上，CCD相机在皮带行进的过程中拍摄谷粒图像，图像由图像采集卡返回给计算机；(2)计算机通过图像处理以及谷粒参数统计算法后，得谷粒数、粒长、粒宽、粒面积参数。

3、根据权利要求2所述的谷粒参数自动测量方法，具体按以下步骤进行：打开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扩展接口掉落到皮带上，由运转的皮带分离谷粒，延时1s后，计算机开始采集CCD拍摄的图像数据，通过图像采集卡传送入计算机；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，开始图像处理工作，得到谷粒的粒数、粒长、粒宽、粒面积。

4、根据权利要求3所述的谷粒参数自动测量方法，图像处理按照以下步骤进行：(1)、提取图像的RGB分量：将图像的RGB分量提取，选择背景与前景对比度最大的分量来做图像处理；(2)、边缘增强：为了保护图像中谷粒的边缘不在滤波的过程中模糊，采用边缘增强处理；(3)、中值滤波：对分量图像进行中值滤波去除噪声；(4)、二值化：将中值滤波后的图像转化为二值化图；(5)、去除小区域：设定面积阈值，去掉区域面积在阈值以下的小区域；(6)、填充：填充图像中因为谷粒外观或者光照条件的影响所产生的；(7)、距离变换：将二值化的谷粒图像通过距离变换成为有梯度变换的距离图像；(8)、灰度重建：通过灰度重建变换，将图像的部分峰值去除；(9)、分水岭变换：通过分水岭变换算法将粘连谷粒分离开为单独对象；(10)、参数统计：对经过上述处理后的图像，进行各种参数的统计。