CN101458204A - 谷物实粒数的自动测量装置及方法 - Google Patents

谷物实粒数的自动测量装置及方法 Download PDF

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CN101458204A CNA2008103064936A CN200810306493A CN101458204A CN 101458204 A CN101458204 A CN 101458204A CN A2008103064936 A CNA2008103064936 A CN A2008103064936A CN 200810306493 A CN200810306493 A CN 200810306493A CN 101458204 A CN101458204 A CN 101458204A
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骆清铭
刘谦
毕昆
徐小春
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Abstract

本发明公开了一种谷物实粒数的自动测量装置，包括：谷物脱粒仪，用于进行谷物的脱粒；流水线系统，用于传送所述脱粒后的谷粒；成像系统，用于采集所述流水线系统中脱粒后的谷粒以及谷粒内米粒的实时图像，并传输所述图像；计算机，用于控制整个自动测量装置，并处理图像，获得谷粒和米粒的个数、面积及谷粒实粒数。本发明还公开了一种谷物实粒数的自动测量方法，包括：对谷物脱粒后传送脱粒后的谷粒，采集脱粒后的谷粒以及谷粒内米粒的实时图像，通过图像处理获得谷粒和米粒的个数、面积及谷粒实粒数。本装置可以自动、快速、准确地获取谷物参数及实粒数。

Description

谷物实粒数的自动测量装置及方法
技术领域
本发明涉及数字图像处理技术，特别是谷物实粒数的自动测量装置及方法。
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。在数字化农业日益推广的今天，利用数字图像处理技术进行植物参数的自动提取具有广阔的应用前景。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。
根据中华人民共和国水利行业标准，饱满度用灌浆充实程度表示，灌浆充实程度大于2/3的即为饱满的谷粒。现有技术主要是通过人工手动测量谷物的饱满度，还没有现成的对谷粒饱满度的自动测量方法。人工手动测量方法主要是利用空粒和实粒密度不同，主要有水沉法，将谷粒置于水中，沉下去的即为实粒；风力法，手动控制风力，被吹走的即为空粒；这两种方法都没有一个定量的数据比，只能定性的分析，主观误差很大，而且可重复性不强，操作也很麻烦，不能满足植物自动参数提取的需求。
发明内容
本发明的目的在于提供谷物实粒数的自动测量装置及方法，用于准确自动测量谷物参数和实粒数。
为实现上述目的，本发明提供了一种谷物实粒数的自动测量装置，包括：
谷物脱粒仪，用于进行谷物的脱粒；
流水线系统，用于传送所述脱粒后的谷粒；
成像系统，用于采集所述流水线系统中脱粒后的谷粒以及谷粒内米粒的实时图像，并传输所述图像；
计算机，用于控制整个自动测量装置，并处理图像，获得谷粒和米粒的个数、面积及谷粒实粒数。
本发明还提供了一种谷物实粒数的自动测量方法，包括：
对谷物脱粒后传送脱粒后的谷粒，采集脱粒后的谷粒以及谷粒内米粒的实时图像，通过图像处理获得谷粒和米粒的个数、面积及谷粒实粒数。
本发明能够对谷物进行自动脱粒，采用CCD相机和X射线分别对谷粒和米粒成像，并对图像进行处理，可以测量出谷粒和米粒的个数和面积，根据谷粒和米粒面积的比值确定谷粒中的实粒数。本发明能自动快速无损地提取谷粒米粒参数，给出定量的结果，实现谷粒饱满度自动化测量。
附图说明
图1为本发明的实施例中谷物实粒数自动测量装置的结构图；
图2为本发明的实施例中谷物实粒数自动测量方法的流程图；
图3为本发明的实施例中采集得到的谷粒的LCCD阈值分割结果图像；
图4为本发明实施例中采集得到的谷粒的X射线阈值分割结果图像。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。
图1为本发明实例提供的谷物实粒数自动测量装置的结构图，具体包括：
包括光电开关1，可控升降板2、单株脱粒仪3、狭缝式管道接口4、控制按钮5、CCD相机6、X-ray放射源7、皮带8、毛刷9、X-ray探测器10、带震动装置的谷粒分离通道板11、安全防护设施12、计算机13、皮带控制器14。光电开关1与可控升降板2相连位于单株脱粒仪3入口处，狭缝式管道接口4上端连接单株脱粒仪3下端连接带震动装置的谷粒分离通道板11，控制按钮5与可控升降板2及计算机13相连，CCD相机6与图像采集卡以及计算机13相连、X-ray探测器10与计算机13相连。CCD相机6、X-ray放射源7、皮带8、毛刷9、X-ray探测器10、带震动装置的谷粒分离通道板11都包在安全防护设施12以内。皮带8与皮带控制器14相连。毛刷9位于皮带8下部外侧。其中，
光电开关1，用于控制可控升降板升降。
可控升降板2，与上述光电开关1相连，用于控制单株脱粒仪打谷；
单株脱粒仪3，用于进行稻穗的脱粒。本系系统采用KT-100单株脱粒仪，它在水稻籽粒含水率18-23％的条件下，残留量0粒，破碎率小于0.2％，总损失率小于1％，含杂率小于0.5％，每小时可脱粒200株或500穗。系统需要测量单株甚至单穗总粒数及实粒数，以穗为单位进行脱粒，同时，不仅要保留实粒，空粒和瘪粒也需要保留。而市售的脱粒机大多数都是农用脱粒机，体积庞大且笨重，脱粒损失率和含杂率高，一般用于大捆稻穗的脱粒。所以采用该单株脱粒仪更好地符合我们的要求。
狭缝式管道接口4，引导谷粒落到流水线，并能减缓谷粒下落速度，拉大谷粒下落的时间差，起到分离谷粒的作用。
控制按钮5，用来控制单穗的测量，当且仅当控制按钮的开关按下，同时光电开关检测到人手，可控升降板才会上升，按下的次数即穗数。
CCD相机6，CCD(Charge Coupled Device)即电荷耦合器件，能把光线转变成电荷，通过模数转换器芯片转换成数字信号。该CCD相机为线阵列相机(LCCD)，采用线扫描的方式成像，通过图像采集卡接受计算机的命令实现图像实时采集，并通过图像采集卡将图像数据传输给计算机。
X-ray放射源7，放射出X-ray用于米粒成像。
皮带8，用于传输和分离谷粒。
毛刷9，位于皮带8的下部外侧，除去附着在皮带上的残粒，防止重复测量。
X-ray探测器10，用于接受经过谷粒和皮带的X-ray，并将图像数据传输给计算机13用于图像处理。
带震动装置的谷粒分离通道板11，和狭缝式管道接口4相连，位于4的下方，该通道板上面布满交错排列的钉子，用于对黏连谷粒进行进一步分离。
安全防护设施12，制作铅房，把整个流水线系统和成像系统置于铅房内，以防止X-ray对人体造成辐射伤害。
计算机13，实现对整个自动测量装置的控制和对图像的处理。
皮带控制器14，通过步进电机控制皮带移动的速度，同时使用旋转编码器监控皮带移动的速度。
其中，包括皮带8、毛刷9、皮带控制器14，需要构成流水线系统，由加工厂定做。皮带的颜色应与谷粒颜色形成较大色差，方便图像处理中谷粒的提取，以蓝色或者黑色为好。皮带控制器需要很精确的调节，用来调节皮带速度使其与CCD相机的成像速度匹配。皮带8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。标准物品一般选规则物品如硬币，将此物品在流水线上用CCD的扫描成像，通过观察成像结果改变流水线速度，如图像压缩则应减小流水线速度，图像拉伸应增大流水线速度，经过多次实验即可确定匹配的流水线速度。
本系统可以自动，快速，准确地获取谷物实粒数。首先本自动测量装置利用传送带流动传输，利用谷物从脱粒机落下的时间差，用传送带达到分离谷粒的目的。其次在脱粒机和流水线之间加上狭缝式管道接口，以减缓谷粒下落速度，拉大谷粒下落的时间差。采用这种接口还有一个优点就是不会产生水平方向的聚集且不会有谷粒堵塞漏斗孔的问题。另外在狭缝式管道接口和流水线之间加上分离通道板和震动电机，这样即时有少量的黏连谷粒也可以通过此通道板分开。最后系统采用CCD和X-ray同时成像，其中CCD用于拍摄谷粒成像，X-ray可以无损地获取米粒面积，只需经过流水线传送即可同时测出谷粒和米粒的各个参数并在此基础上得到谷粒总粒数和实粒数，测量结果精确可靠。
如图2所示，为本发明实施例中谷物实粒数自动测量方法的流程图，具体包括以下步骤：
步骤201、按下控制按钮，开始测量，按钮发出信号通过串口传入计算机。
步骤202、把稻穗置于单株脱粒仪的入口处，光电开关检测到人手后，控制可控升降板上升，同时给出信号通过串口传入计算机。计算机接收到信号后，会有一定时间延时，然后才开始采集图像。这是因为单株脱粒仪进行打谷还需要一定时间，在谷物落到流水线上之前进行采集的话会采集到空白图像。因此计算机采用这种延时机制来防止开始采集到大量空白图像，通过实验室测量，延时时间通常设置为1秒，当然，这一时间并非固定，可根据使用情况进行调整。
步骤203、将稻穗放入单株脱粒仪入口进行脱粒，延时一段时间后计算机给出命令控制CCD相机和X-ray探测器开始拍摄图像，并分别通过图像采集卡和USB线传送到计算机。之所以要用CCD相机和X-ray探测器同时成像，主要是因为，通过CCD相机成像能够得到谷粒的图像，通过图像识别技术可以在图像中识别出谷粒，进而测量谷粒的个数、面积等参数；通过X-ray成像能够穿过谷壳，直接对谷物中的米粒成像，因为谷壳对X射线的吸收率远低于米粒，这样就能够在X射线成像的图像中识别出米粒，进而测量米粒面积等参数。
步骤204、完成脱粒工作后，将脱粒后的稻穗取出，光电开关检测到这一变化，给出信号使可控升降板下降，并通过串口把单穗测量结束信号传给计算机，延时一段时间后计算机停止数据采集。这里之所以还要延时是因为在流水线上还有未测量的谷物，对其也要进行图像采集。
计算机对获得的图像数据进行图像处理工作，包括图像前期滤波去噪处理、阈值分割得到分离的谷粒及米粒等操作，在此基础上得到谷粒数和米粒数并测量各个谷粒和米粒的粒面积，并通过米粒面积/对应谷粒面积得到各谷粒的饱满度，饱满度>2/3的谷粒即为实粒数。此处涉及到的图像处理算法采用标准常用算法，例如，要提高图像对比度，可采用直方图分布优化来增强整个图像的对比度。
应用实例：
实验生物材料：为检测本装置识别实粒数的能力，采用有较多空粒的未完全成熟的水稻作为实验材料。
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，计算机获取采集的CCD和X-ray图像数据，并对图像进行处理和运算(见图3-4)，最终获得该水稻实粒数。
下面为测量结果：
 
谷粒面积 米粒面积     饱满度 谷粒面积 米粒面积 饱满度 谷粒面积 米粒面积 饱满度 谷粒面积 米粒面积 饱满度
23 17 0.73913 80 60 0.75 76 0 0 67 65 0.97015
124 92 0.74194 82 0 0 59 54 0.91525 56 0 0
94 0 0 71 0 0 69 60 0.86957 61 47 0.77049
97 68 0.70103 81 55 0.67901 61 56 0.91803 55 49 0.89091
96 75 0.78125 88 0 0 57 0 0 63 56 0.88889
103 94 0.91262 72 0 0 93 0 0 63 59 0.93651
93 81 0.87097 74 65 0.87838 70 0 0 59 0 0
78 74 0.94872 78 43 0.55128 55 0 0 55 0 0
97 69 0.71134 78 33 0.42308 69 0 0 35 0 0
85 63 0.74118 88 73 0.82955 61 53 0.86885 45 0 0
66 35 0.5303 76 68 0.89474 58 0 0 68 59 0.86765
92 64 0.69565 75 46 0.61333 67 0 0 50 0 0
81 63 0.77778 79 75 0.94937 72 0 0 53 0 0
82 72 0.87805 77 62 0.80519 62 0 0 38 0 0
101 78 0.77228 70 70 1 61 50 0.81967 58 0 0
92 80 0.86957 70 4 0.057143 64 62 0.96875 57 49 0.85965
85 72 0.84706 77 61 0.79221 55 55 1 50 30 0.6
72 0 0 67 61 0.91045 76 70 0.92105 54 46 0.85185
76 66 0.86842 80 0 0 62 52 0.83871 50 46 0.92
76 61 0.80263 65 0 0 79 65 0.82278 47 47 1
89 75 0.8427 59 57 0.9661 53 48 0.90566 52 49 0.94231
80 65 0.8125 59 0 0 56 0 0 45 40 0.88889
70 51 0.72857 68 56 0.82353 74 0 0 55 0 0
82 63 0.76829 75 0 0 63 47 0.74603 47 44 0.93617
103 91 0.8835 72 42 0.58333 64 0 0 50 49 0.98
 
95 81 0.85263 73 56 0.76712 62 55 0.8871 43 0 0
74 55 0.74324 75 65 0.86667 70 57 0.81429 51 47 0.92157
102 76 0.7451 57 53 0.92982 106 52 0.49057 58 0 0
85 23 0.27059 71 0 0 55 45 0.81818 52 0 0
90 79 0.87778 64 60 0.9375 71 61 0.85915 44 34 0.77273
88 72 0.81818 69 48 0.69565 50 0 0 37 0 0
74 73 0.98649 84 75 0.89286 57 0 0 27 26 0.96296
86 0 0 71 60 0.84507 62 0 0 36 35 0.97222
81 69 0.85185 66 52 0.78788 54 38 0.7037 34 34 1
79 71 0.89873 80 65 0.8125 52 44 0.84615 57 39 0.68421
71 0 0 73 15 0.20548 49 0 0 28 4 0.14286
84 0 0 69 0 0 61 0 0 47 0 0
75 63 0.84 71 0 0 71 0 0 44 26 0.59091
84 67 0.79762 78 66 0.84615 65 63 0.96923 38 34 0.89474
84 64 0.7619 68 64 0.94118 54 44 0.81481 33 27 0.81818
76 67 0.88158 80 49 0.6125 53 44 0.83019
表1饱满度计算结果
结果：总粒数：163粒
实粒数：100粒
通过人工数粒数得总粒数准确值：163。可见，以上方法在提取谷粒总粒数上正确率达到100％。实粒数为饱满度>2/3的谷粒数，整个处理过程严格按照此标准提取，故所得结果应为真实值。

Claims (10)

  1. 【权利要求1】一种谷物实粒数的自动测量装置，其特征在于，包括：
    谷物脱粒仪，用于进行谷物的脱粒；
    流水线系统，用于传送所述脱粒后的谷粒；
    成像系统，用于采集所述流水线系统中脱粒后的谷粒以及谷粒内米粒的实时图像，并传输所述图像；
    计算机，用于控制整个自动测量装置，并处理图像，获得谷粒和米粒的个数、面积及谷粒实粒数。
  2. 【权利要求2】根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述流水线系统具体包括：
    皮带，用于传输和分离所述脱粒后的谷粒；
    毛刷，位于所述皮带的下部外侧，用于去除附着在所述皮带上的残留谷粒；
    皮带控制器，用于通过步进电机控制所述皮带移动的速度。
  3. 【权利要求3】根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述成像系统具体包括：
    CCD相机，用于采集所述流水线系统中脱粒后的谷粒实时图像，并传输所述图像；
    X射线放射源与探测器，用于采集所述流水线系统中谷粒内米粒的实时图像，并传输所述图像；
  4. 【权利要求4】根据权利要求1、2或3所述的装置，其特征在于，该系统进一步包括：
    控制按钮，用于控制单穗谷物实粒数的测量；
    光电开关，位于所述谷物脱粒仪的入口上方，用于感应人手，控制可控升降板的升降；
    可控升降板，位于所述谷物脱粒仪的入口外部，用于在控制按钮及光电开关的控制下抬高或降低，当所述控制按钮按下，且所述光电开关感应到人手，则可控升降板抬高。
  5. 【权利要求5】根据权利要求4所述的装置，其特征在于，该系统进一步包括：
    狭缝式管道接口，与所述谷物脱粒仪相连，位于谷物脱粒仪下方，用于引导谷粒落到流水线系统，减缓谷粒下落速度，分离谷粒。
  6. 【权利要求6】根据权利要求5所述的装置，其特征在于，该系统进一步包括：
    带震动装置的谷粒分离通道板，与所述狭缝式管道接口相连，用于对黏连谷粒的进一步分离。
  7. 【权利要求7】根据权利要求6所述的装置，其特征在于，该装置进一步包括：
    安全防护设施，为一铅房，将所述流水线系统和成像系统置于铅房内，用于防止X射线对人体的辐射伤害。
  8. 【权利要求8】一种谷物实粒数的自动测量方法，其特征在于，包括：
    对谷物脱粒后传送脱粒后的谷粒，采集脱粒后的谷粒以及谷粒内米粒的实时图像，通过图像处理获得谷粒和米粒的个数、面积及谷粒实粒数。
  9. 【权利要求9】根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述采集实时图像具体包括：
    采集脱粒后的谷粒实时图像，并通过X射线探测采集谷粒内米粒的实时图像。
  10. 【权利要求10】根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述获得谷粒和米粒的个数、面积及谷粒实粒数具体包括：
    分别对所述谷粒图像和米粒图像进行前期滤波去噪处理和阈值分割，得到分离的谷粒和米粒图形；
    计算谷粒和米粒个数，测量谷粒和米粒的面积，对比谷粒图像中特定谷粒与对应米粒图像中该谷粒内米粒的面积，当所述米粒面积与谷粒面积的比值大于一特定阈值时，该谷粒为实粒，得到所有谷粒中的实粒数。
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