CN106989791B - 一种基于线阵ccd的谷物体积测量装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于线阵CCD的谷物体积测量装置及其测量方法；包括线阵CCD相机、相机底座、相机固定架、小圆珠、弹簧、滑轨、工控机、量筒、背景板、底部固定板和谷物盛放装置；量筒固定在底部固定板上；量筒用于测量不同的谷物；每个量筒中盛放有带有颜色的液体；液体颜色与背景板颜色不同；谷物盛放装置包括载重和谷物盛放袋；谷物盛放袋用于密封放置谷物；线阵CCD相机通过相机固定架垂直固定在相机底座上；底部固定板上设有滑轨；工控机与线阵CCD相机通过数据线连接；本发明弥补了国内对于测量单粒谷物体积测量方法和测量装置的缺失，采用基于线阵CCD相机的谷物体积测量方法，有效提高了测量精度，避免了测量误差。

Description

一种基于线阵CCD的谷物体积测量装置及其测量方法

技术领域

本发明涉及一种基于线阵CCD的谷物体积测量装置及其测量方法，属于谷物体积的测量技术领域，尤其涉及一种基于线阵CCD的谷物体积精确测量方法。

背景技术

高产、稳产、优质是当今谷物育种的主要目标，而籽粒是产量和品质的最终体现方式。谷物种子的物理性状是种子加工与贮藏的基础，是产量的最终体现，研究谷物种子的物理性状对品种的选育和种子加工贮藏具有重要的指导意义。因此，谷物籽粒物理性状越来越受到遗传育种工作者的重视，研究与产量相关的籽粒体积等性状，对指导谷物产量的提升具有重要意义。

现阶段谷物体积的测定多采用标准容器结合百粒重或千粒重进行换算，即将谷物在给定容积的容器内装满并称重，根据百粒重或千粒重所测总体积，进而计算出每粒玉米种子的体积，但批量测量所得体积值精准度低。针对谷物形状不规则的特点，若使用传统排水法测量单粒谷物体积，在测量过程中，谷物浸入水中后会快速吸水，导致谷物体积胀大，增大测量误差。因此，缺少精确测量单粒谷物体积的测量方法和测量装置。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种基于线阵CCD的谷物体积测量装置及其测量方法；是在排液法测体积的基础上，依靠图像处理技术读取测量容器的测量值，避免测量误差，使体积测量更快捷、更简便、更准确。

本发明所采用的技术方案为：

一种基于线阵CCD的谷物体积测量装置，包括线阵CCD相机、相机底座、相机固定架、小圆珠、弹簧、滑轨、工控机、量筒、背景板、底部固定板和谷物盛放装置；

所述量筒与背景板平行垂直可活动固定在底部固定板上，底部固定板保持水平；量筒位于背景板前方，且量筒底部圆心位于一条与背景板平行的水平线上；所述量筒内径大小不同，用于测量不同的谷物；每个量筒中盛放有带有颜色的液体；使用时，设置所述液体颜色与背景板颜色不同，呈现显著对比；所述底部固定板保持水平且与背景板垂直；

所述谷物盛放装置包括载重和谷物盛放袋。载重位于谷物盛放袋下方，能将谷物盛放装置完全浸入量筒内的液体中；所述谷物盛放袋用于密封放置谷物，放入谷物后谷物盛放袋内保证真空环境，测量过程中将谷物与液体隔离，为谷物提供干燥环境，避免谷物与液体直接接触吸水胀大；

线阵CCD相机通过相机固定架垂直固定在相机底座上，相机固定架中部的内部是中空圆柱，相机镜头的中轴线与所述中部圆柱的中轴线位于同一个与底部固定板垂直的平面内；

所述中空的圆柱内设有定位卡口装置；定位卡口装置由小圆珠和弹簧组成；相机固定架底部设有锥形孔，锥形孔的圆心位于中空圆柱的中轴线上；所述小圆珠放在锥形孔内，小圆珠上方设有一弹簧，弹簧一直处于被压缩状态，小圆珠在弹簧压力下能缩回或露出锥形孔外；

底部固定板上设有滑轨，滑轨与背景板平行并位于量筒正前方；相机固定架可活动放置在滑轨上，相机固定架能沿滑轨前后滑动；相机固定架用于放置线阵CCD相机；线阵CCD相机通过在滑轨上前后移动拍摄不同位置的量筒刻度图像，并将量筒刻度图像传回工控机；

每个量筒中轴线与背景板垂直的平面和滑轨的交点处设有定位孔，定位卡口装置将相机固定架固定在定位孔中，线阵CCD相机镜头的中心能正对着量筒的中轴线；当线阵CCD相机经滑轨到达量筒正前方时，所述小圆珠卡在定位孔上，用于固定相机固定架，以使相机镜头正对着量筒。

所述工控机与线阵CCD相机通过数据线连接；工控机用于处理谷物放入量筒前后线阵CCD相机拍摄的照片，并计算液面变化高度，转换为谷物体积。

本发明所述的一种精确测量谷物体积的方法，包括以下步骤:

S1、将线阵CCD相机镜头中心对准量筒中轴线，拍摄初始值图像Image0；

S2、在背景板上画上参照刻度，用线阵CCD相机拍摄刻度参考值图像Image1；

S3、提取两次定点拍摄图像Image0和Image1的所有像素，将两张图片每行每列所对应的像素进行做差，得到第三个图像Image2；

S4、从Image2中取出有参考刻度的图像，在工业机里计算参考刻度代表的像素高度。

S5、在不同内径的量筒内盛放带有颜色的液体，量筒后面放置背景板，设置液体颜色和背景板颜色不同，两者颜色有极大差别，呈显著对比色；液体颜色为红色、黄色或蓝色等，背景板颜色为绿色、黑色或白色等；

S6、先将未放入谷物的谷物盛放装置里的气体抽空，将谷物盛放装置完全浸入液体内，将线阵CCD相机镜头中心对准量筒的中轴线，然后用线阵CCD相机拍摄液面初始高度图像Image3；

S7、将带谷物的盛放装置内的气体抽空，再将盛放有谷物的盛放装置完全浸入液体中，用线阵CCD相机拍摄液面此时高度图像Image4；

S8、提取两次定点拍摄图像Image3和Image4的所有像素，将两张图片所对应的像素进行做差，得到第三个图像Image5；

S9、从Image5中取出液面高度变化部分的图像，计算像素高度；

S10、依据实际参照刻度将像素高度转换为实际高度h，再根据量筒内径D，

依据体积计算公式V＝h·π·D²/4，最终得谷物精确体积。

本发明使用线阵CCD相机获取图像具有如下特有的优势：

1、本发明所使用的线阵CCD相机的传感器只有一行感光单元，因此具有高扫描频率和高分辨率；

2、扫描行的坐标由光栅提供，高精度的光栅尺的示值精度可高于面阵CCD像元间距的制造精度，从这个意义上讲，线阵CCD获取的图像在扫描方向上的精度可高于面阵CCD图像；

3、线阵CCD亚像元的拼接技术可将两个CCD芯片的像元在线阵的排列长度方向上用光学的方法使之相互错位1/2个像元，相当于将第二片CCD的所有像元依次插入第一片CCD的像元间隙中，间接“减小”线阵CCD像元尺寸，提高了CCD的分辨率，缓解了由于受工艺和材料影响而很难减小CCD像元尺寸的难题，在理论上可获得比面阵CCD更高的分辨率和精度。

本发明有益效果：本发明弥补了国内对于测量单粒谷物体积测量方法和测量装置的缺失，采用基于线阵CCD相机的谷物体积测量方法，有效提高了测量精度，避免了测量误差，为之后的研究提供了可靠的依据。

附图说明

图1是本发明的整机结构图。

图2是线阵CCD相机拍摄装置。

图3是谷物盛放装置示意图。

图4是定位卡口装置。

图中：1、底部固定板2、量筒3、背景板4、线阵CCD相机5、相机底座6、相机固定架7、工控机8、数据线9、滑轨10、谷物盛放装置11、玉米种子12、弹簧13、小圆珠

具体实施方式

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

本发明中，液体颜色可以是红色、黄色或蓝色等，背景板3颜色可以是绿色、黑色或白色等；设置液体颜色与背景板颜色具有极大差别，呈现显著对比即可。液体可以使用水加各种颜色调制。量筒2内径根据谷物的大小确定。

如图1-图3所示，不同内径规格的量筒2中盛放有红色液体，量筒2后面放置绿色背景板3，量筒2与背景板3平行且固定在底部固定板1上，底部固定板1保持水平且与背景板3垂直；谷物盛放装置10分为两部分，一是载重，保证谷物盛放装置完全浸入量筒内的液体中，二是谷物盛放袋，放入谷物后袋内为真空环境，作用是测量过程中将谷物与液体隔离，为谷物提供干燥环境，避免谷物与液体直接接触吸水胀大；线阵CCD相机4固定在相机底座上，并与相机固定架6相连，相机固定架6中部是中空圆柱，相机镜头的中轴线与相机固定架6中部圆柱的中轴线同在一个平面并与底部固定板1垂直；相机固定架6里有定位卡口装置，定位卡口装置是由小圆珠13和弹簧12组成，相机固定架6底部开锥形孔，锥形孔内大外小，小圆珠放在锥形孔内，小圆珠13上方有一弹簧12，弹簧12一直处于被压缩状态，小圆珠13受压露出锥形孔外。底部固定板1上设有滑轨9，线阵CCD相机4固定在相机固定架6上，相机固定架6在滑轨9上前后移动能够保证线阵CCD相机4拍摄不同位置的量筒2刻度图像，并将图像传回工控机；量筒2中轴线前方与背景板3垂直的平面和滑轨9的交点处的滑轨9上设有定位孔，使相机固定架6经过定位孔时，卡口装置正好将相机固定架6卡在定位孔上，使相机镜头的中心正对着量筒2的中轴线；工控机7用于处理谷物放入量筒前后线阵CCD相机4拍摄的照片，并计算液面变化高度，转换为谷物体积。

一种精确测量谷物体积的方法，步骤以下：

S1、将线阵CCD相机4镜头中心对准量筒2中轴线，拍摄初始值图像Image0；

S2、在背景板3上画上参照刻度，用线阵CCD相机4拍摄刻度参考值图像Image1；

S3、提取两次定点拍摄图像Image0和Image1的所有像素，将两张图片每行每列所对应的像素进行做差，得到第三个图像Image2；

S4、从Image2中取出有参考刻度的图像，在工业机里计算参考刻度代表的像素高度；

S5、在不同内径的量筒内盛放有色液体，量筒2后面放置背景板3，液体颜色与背景板颜色有极大差别；

S6、先将未放入谷物的谷物盛放装置10里的气体抽空，将谷物盛放装置完全浸入液体内，将线阵CCD相机4镜头中心对准量筒2的中轴线，然后用线阵CCD相机拍摄液面初始高度图像Image3；

S7、将带谷物的盛放装置内的气体抽空，再将盛放有谷物的盛放装置完全浸入液体中，用线阵CCD相机4拍摄液面此时高度图像Image4；

S8、提取两次定点拍摄图像Image3和Image4的所有像素，将两张图片所对应的像素进行做差，得到第三个图像Image5；

S9、从Image5中取出液面高度变化部分的图像，计算像素高度；

S10、依据实际参照刻度将像素高度转换为实际高度h，再根据量筒2内径D，

依据体积计算公式V＝h·π·D²/4，最终得谷物精确体积。

Claims (4)

1.一种基于线阵CCD的谷物体积测量装置，其特征在于包括线阵CCD相机、相机底座、相机固定架、小圆珠、弹簧、滑轨、工控机、量筒、背景板、底部固定板和谷物盛放装置；所述量筒垂直可活动固定在底部固定板上，底部固定板保持水平；量筒位于背景板前方，且量筒底部圆心位于一条与背景板平行的水平线上；所述量筒与背景板平行；量筒中盛放有带有颜色的液体；使用时，设置所述液体颜色与背景板颜色不同；所述底部固定板保持水平且与背景板垂直；所述谷物盛放装置包括载重和谷物盛放袋；载重位于谷物盛放袋下方，能将谷物盛放装置完全浸入量筒内的液体中；所述谷物盛放袋用于密封放置谷物，放入谷物后谷物盛放袋内保证真空环境，为谷物提供干燥环境，避免谷物与液体直接接触吸水胀大；所述线阵CCD相机通过相机固定架垂直固定在相机底座上，相机固定架中部的内部是中空圆柱，相机镜头的中轴线与所述中空圆柱的中轴线位于同一个与底部固定板垂直的平面内；所述中空的圆柱内设有定位卡口装置；定位卡口装置由小圆珠和弹簧组成；相机固定架底部设有锥形孔，锥形孔的圆心位于中空圆柱的中轴线上；所述小圆珠放在锥形孔内，小圆珠上方设有一弹簧，小圆珠在弹簧压力下能缩回或露出锥形孔外；底部固定板上设有滑轨，滑轨与背景板平行并位于量筒正前方；相机固定架可活动放置在滑轨上，相机固定架能沿滑轨前后滑动；相机固定架用于放置线阵CCD相机；线阵CCD相机通过在滑轨上前后移动拍摄不同位置的量筒刻度图像，并将量筒刻度图像传回工控机；每个量筒中轴线与背景板垂直的平面和滑轨的交点处设有定位孔，定位卡口装置将相机固定架固定在定位孔中，线阵CCD相机镜头的中心能正对着量筒的中轴线；当线阵CCD相机经滑轨到达量筒正前方时，所述小圆珠卡在定位孔上，用于固定相机固定架，以使相机镜头正对着量筒；所述工控机与线阵CCD相机通过数据线连接。

2.如权利要求1所述的一种基于线阵CCD的谷物体积测量装置，其特征在于所述量筒内径大小不同，用于测量不同的谷物。

3.如权利要求1所述的一种基于线阵CCD的谷物体积测量装置，其特征在于所述液体颜色为红色、黄色或蓝色；所述背景板颜色为绿色、黑色或白色。

4.如权利要求1所述的一种基于线阵CCD的谷物体积测量装置的测量方法，其特征在于包括以下步骤：

S1、将线阵CCD相机镜头中心对准量筒中轴线，拍摄初始值图像Image0；

S2、在背景板上画上参照刻度，用线阵CCD相机拍摄刻度参考值图像Imagel；

S3、提取两次定点拍摄图像Image0和Imagel的所有像素，将两张图片每行每列所对应的像素进行做差，得到第三个图像Image2；

S4、从Image2中取出有参考刻度的图像，在工业机里计算参考刻度代表的像素高度；

S5、在不同内径的量筒内盛放带有颜色的液体，量筒后面放置背景板，设置液体颜色和背景板颜色不同，两者颜色有极大差别，呈显著对比色；液体颜色为红色、黄色或蓝色；背景板颜色为绿色、黑色或白色；

S6、先将未放入谷物的谷物盛放装置里的气体抽空，将谷物盛放装置完全浸入液体内，将线阵CCD相机镜头中心对准量筒的中轴线，然后用线阵CCD相机拍摄液面初始高度图像Image3；

S7、将带谷物的盛放装置内的气体抽空，再将盛放有谷物的盛放装置完全浸入液体中，用线阵CCD相机拍摄液面此时高度图像Image4；

S8、提取两次定点拍摄图像Image3和Image4的所有像素，将两张图片所对应的像素进行做差，得到第三个图像Image5；

S9、从Image5中取出液面高度变化部分的图像，计算像素高度；

S10、依据实际参照刻度将像素高度转换为实际高度h，再根据量筒内径D，依据体积计算公式V=h·π·D²/4，最终得谷物精确体积。

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