CN115088416A - 农作物种子发芽率检测装置及其图像检测方法 - Google Patents

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Abstract

现阶段测试农作物种子发芽率要根据国家标准进行发芽试验，对发芽种子幼苗的根和茎叶进行检测，通过人工检测茎叶和根长度，确定合格发芽种子，计算种子发芽率。该方法通过人工检测和计数发芽幼苗，费时费力，不能满足现代农业育种和生产的需要。本发明设计了一种基于图像的方法检测农作物种子发芽率的检测装置并采用图像方法检测种子发芽率，农作物种子发芽率检测装置由数种排种组件和种子穴盘培养组件组成，数种排种组件包括农作物种子数种盘、排种盘，种子穴盘培养组件包括发芽种子培养穴盘、托盘；农作物种子发芽率图像检测方法的步骤包括采集穴盘培养发芽种子图像、图像处理识别出合格发芽种子秧苗和根、识别出发芽但秧苗和根不合格种子、识别出未发芽种子，计算农作物种子发芽率。通过本发明的农作物种子发芽率检测装置对农作物种子进行发芽培养，并利用图像方法可快速准确识别出种子发芽率，满足农业育种和生产对大量种子发芽率测试的要求。

Description

农作物种子发芽率检测装置及其图像检测方法
技术领域
本发明涉及一种基于图像的方法检测农作物种子发芽率的检测装置以及检测种子发芽率的图像方法。
背景技术
现阶段测试农作物种子发芽率要根据国家标准进行发芽试验，当发芽试验进行到一定时间后对幼苗的根和茎叶进行检测，确定合格发芽种子，由发芽种子数量计算种子发芽率。目前确定合格发芽种子的标准都通过人工进行测量茎叶和根长度或者人工肉眼识别茎叶和根长度参数；
人工进行测量茎叶和根长度尺度或者人工肉眼识别根和茎叶长度参数费时费力，效率低下，特别是现代育种和生产需要同时测量大量样品种子发芽率数据，人工测试已经远远不能满足需求，迫切需要快速准确的获取农作物种子发芽率；
目前农作物种子发芽率测试采用沙床或者纸床作为发芽率测试种植介质，农作物种子一般需要人工数种或者使用籽粒计数仪进行计数，每个试验样品需种子100粒，计数后种子经浸泡一定时间人工按照一定间隔均匀距离摆布在发芽床上，待种子发芽到规定的时间对其幼苗进行人工鉴定，确定合格发芽种子，因此这种发芽率测试过程中已经不适应现代化育种和生产的测试种子样品数量大、快速和准确的需要，需要设计适用于现代育种和生产需要的快速和准确的发芽率测试装置和检测方法。
本发明设计了一种可完全代替人工进行发芽率测试的装置和一种发芽率检测方法，农作物种子100粒数种，种子均匀摆布等工作通过设计一种特定装置代替人工，并且该装置可以让种子进行发芽生长，待种子达到发芽率检测的时间，通过拍摄装置内所有种子发芽图像，利用图像处理方法对种子幼苗的根和茎叶进行鉴定，确定合格的发芽种子，计算出种子的发芽率，因此本发明的发芽率测试装置和发芽率图像测试方法可完全代替人工进行发芽率的测试。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题：针对现有农作物种子发芽率测试没有特定测试装置，通过人工进行数种和人工对种子在种床上均匀摆布；均匀摆布的种子间隔距离不宜太小，否则作物幼苗根和茎叶交织在一起无法准确采用图像方法识别，也不宜太大，否则种子发芽床将占用较大空间，影响测试发芽率样品的数量；同时已发芽种子、未发芽种子或者根茎叶不合格发芽种子等都需要人工进行鉴定来确定合格发芽种子；
(二)技术方案
本发明的一种基于图像的方法检测农作物种子发芽率检测装置以及检测种子发芽率的图像方法技术方案步骤包括农作物种子发芽率的检测装置和农作物种子发芽率图像检测方法，其中农作物种子发芽率检测装置由数种排种组件和种子穴盘培养组件两部分组成，数种排种组件包括农作物种子数种盘、排种盘，种子穴盘培养组件包括发芽种子培养穴盘、托盘等部分组成；农作物种子发芽率图像检测方法的步骤包括采集穴盘培养发芽种子图像、图像处理识别出合格发芽种子秧苗和根、识别出发芽但秧苗和根不合格种子、识别出未发芽种子，计算作物种子发芽率；
农作物种子发芽率检测装置的数种盘为一有型孔的平板，数量为100孔，型孔的形状与农作物籽粒相似的椭圆形，椭圆孔的长度以籽粒长度的1.2倍为准，椭圆孔的宽度以籽粒宽度的1.2倍为准，数种盘的厚度以籽粒厚度为基准，避免孔内有2粒种子出现，型孔在数种盘上的分布规律为菱形或正方形分布，菱形分布适用于大粒种子，正方形分布适用于小粒种子，型孔间距为籽粒长度的2.0-3.0倍，减少发芽装置整体的尺寸，数种盘平板四周有10mm突起，避免种子在向型孔充种时种刷把种子刷出平板，种盘一侧留有多余种子存放和卸料口，数种盘平板四角底部应有直角定位凸起与培养穴盘四角边缘对应，材料采用透明玻璃，布种时种子播撒在数种盘上，并用于数种盘等宽的种刷刷种至型孔，多余的种子刷至数种盘另一端；
农作物种子发芽率检测装置的排种盘，排种盘平板位于数种盘下面插槽中，排种盘上开有相应的100孔，孔的形状为圆孔，圆孔的直径以籽粒长度1.2倍为准，型孔在排种盘上的分布与数种盘一致，平板的厚度可与数种盘一致，材料采用透明玻璃，数种盘型孔布种时排种盘型孔与数种盘型孔应错开布置，排种时推动排种盘至定位点排种盘型孔与数种盘型孔相对应，籽粒从数种盘型孔经排种盘型孔进入穴盘种穴，种子落粒后排种盘在另一端的弹簧作用下自动复位；
农作物种子发芽率检测装置的发芽种子培养穴盘，穴盘用透明玻璃或塑料制造，穴盘有100个种穴，种穴在穴盘上的分布与数种盘上型孔对应一致，种穴上下口均为圆形，上口直径以籽粒长度1.5-2.0倍为准，下口直径以籽粒长度1.2倍为准，下端为以下口为直径的半球体，种穴高度为20-30mm，种穴整体呈倒圆锥体，下口开直槽口，位于种穴底部中心，底部槽口应保证籽粒种胚在槽口处，即种子籽粒长度方向与槽口方向一致，槽口宽度为小于籽粒厚度尺寸，槽口高度大于籽粒长度，穴盘上每个种穴的槽口方向应与周围四个方向上的种穴槽口方向垂直布置；穴盘四角边缘与数种盘四角直角定位凸起对应；
农作物种子发芽率检测装置的穴盘托盘，托盘为一平底盘，内部盛水用于穴盘种穴底部槽口种子吸收水分，因此托盘大小尺寸与穴盘一致，深度比穴盘深度深10mm左右，穴盘边缘突出坐在托盘边缘上；
农作物种子发芽率检测装置的布种排种过程：获取一定数量的发芽率测试农作物种子样品，数量超过100粒，撒布在数种盘上，推动布种刷从一端运动到另一端，直至种子全部进入数种盘型孔中；推动排种盘使其型孔与数种盘型孔对中，种子籽粒从数种盘型孔经排种盘型孔进入穴盘种穴，种子进入种穴后落入位于种穴底部的槽口，种子长度方向与槽口方向一致；排种后穴盘上部的数种排种组件移开用于下一穴盘的播种。
农作物种子发芽率图像检测方法的步骤包括采集穴盘培养发芽种子图像、图像处理识别合格发芽种子秧苗和根、识别发芽但秧苗和根不合格种子、识别未发芽种子，计算出种子发芽率；
农作物种子发芽率图像检测方法的步骤包括采集穴盘培养发芽种子图像，通过本发明的发芽率测试装置进行作物种子发芽培养，种子根从种胚中伸出后由槽口进入托盘，茎叶沿着种穴向上生长，到发芽率测试规定时间，种穴底部槽口方向不同，种子发芽根不会交织在一起，种苗向上在种穴中生长，茎叶也不易交织在一起，因此可从发芽种子正上方俯视或者侧俯视采集图像；
农作物种子发芽率图像检测方法的步骤包括图像处理识别发芽种子秧苗和根，经发芽率测试装置培养的发芽种子根和茎叶都不交织在一起，图象经去除噪声等预处理，经灰度化和二值化处理，识别出种子籽粒；在此基础上根据发芽种子茎叶和根的颜色特征提取识别出茎叶和根，由种子的茎叶和根的相关特征参数确定合格发芽种子；种子的茎叶和根的特征参数达不到要求则确定为不合格发芽种子；种穴中无图像方法识别的种子茎叶和根，则确定种子未发芽；由此计算出种子的发芽率。
(三)有益效果
本发明农作物种子发芽率检测装置以及检测种子发芽率的图像方法能够利用数种排种组件一次性完成数种、排种，利用种子穴盘培养组件完成种子发芽的培养，种子穴盘培养组件能够保证不同种穴已发芽种子之间茎叶和根不相互交织，便于图像识别已发芽种子的茎叶和根；按照国家标准规定的发芽率测试时间采集作物种子发芽后的图像，经过图像处理识别出合格发芽种子、不合格发芽种子和未发芽种子，计算出作物种子发芽率；本发明测试装置结构简单，数种排种易操作，避免了繁杂的数种和种子在发芽床上布置等人工工作，耗时费力；种子籽粒排种进入种穴低端球面使种子可自动定位按长度方向进入种穴底部槽口，种子发芽后，根伸入种穴底部的槽口，而茎叶在种穴内向上生长，避免了发芽种子间的茎叶与茎叶和根与根的相互交织，从而图像处理可准确识别出合格发芽种子、不合格发芽种子和未发芽种子，计算出作物种子发芽率，由此可快速准确识别出种子发芽率，节约大量的劳力，大规模提高种子发芽率测试的效率，有利于加快种子育种和作物种植生产，本发明的发芽率测试装置和发芽率图像测试方法可完全代替人工对发芽率的测试。
附图说明
图1水稻种子发芽率检测装置立体图
图2数种排种组件的立体图
图3数种排种组件的三视图
图4发芽培养穴盘的立体图
图5发芽培养穴盘的三视图
图6发芽培养穴盘托盘立体图
图7采集的水稻发芽种子图像
图8水稻发芽种子图像双边滤波处理
图9水稻发芽种子二值图像
图10 HSV空间下提取发芽水稻种子根和茎叶
图11检测水稻发芽种子
具体实施方式
下面以测试水稻种子发芽率为例说明本发明中的一种基于图像的方法检测农作物种子发芽率检测装置以及检测种子发芽率的图像方法进行详细技术说明。
本发明的一种基于图像的方法检测水稻种子发芽率检测装置以及检测水稻种子发芽率的图像方法技术方案步骤包括水稻种子发芽率的检测装置和水稻种子发芽率图像检测方法，其中水稻种子发芽率检测装置由数种排种组件和种子穴盘培养组件两部分组成，数种排种组件包括水稻种子数种盘、排种盘，种子穴盘培养组件包括发芽水稻种子培养穴盘、托盘等部分组成，水稻种子发芽率检测装置立体图见图1；水稻种子发芽率图像检测方法的步骤包括采集穴盘培养发芽水稻种子图像、图像处理识别出合格发芽种子秧苗和根、识别出发芽但秧苗和根不合格种子、识别出未发芽种子，计算水稻种子发芽率；
水稻种子发芽率检测装置的数种盘为一有型孔的平板，数量为100孔，型孔的形状与水稻籽粒相似的椭圆形，椭圆孔的长度以籽粒长度的1.2倍为准，椭圆孔的宽度以籽粒宽度的1.2倍为准，数种盘的厚度以籽粒厚度为基准，这样可避免孔内有2粒种子出现，型孔在数种盘上的分布规律为正方形分布，型孔间距为籽粒长度的2.0-3.0倍，减少发芽装置整体的尺寸，数种盘平板四周有10mm突起，避免种子在向型孔充种时种刷把种子刷出平板，种盘一侧留有多余种子存放和卸料口，数种盘平板四角底部应有直角定位凸起与培养穴盘四角边缘对应，材料采用透明玻璃，布种时种子播撒在数种盘上，并用与数种盘等宽的种刷刷种至型孔，多余的种子刷至数种盘另一端；数种排种组件的立体图见图2，数种盘见数种排种组件的三视图3中的数种盘；
水稻种子发芽率检测装置的排种盘，排种盘平板位于数种盘下面插槽中，排种盘上开有相应的100孔，孔的形状为圆孔，圆孔的直径大于水稻籽粒长度尺寸，型孔在排种盘上的分布为正方形分布，平板的厚度可与数种盘一致，材料采用透明玻璃，数种盘型孔布种时排种盘型孔与数种盘型孔应错开布置，排种时推动排种盘至定位点排种盘型孔于数种盘型孔相对应，籽粒从数种盘型孔经排种盘型孔进入穴盘种穴，种子落粒后排种盘在另一端的弹簧作用下自动复位；数种排种组件的立体图见图2所示，排种盘见数种排种组件的三视图3中的排种盘；
水稻种子发芽率检测装置的发芽种子培养穴盘，穴盘用透明玻璃或塑料制造，穴盘有100个种穴，种穴在穴盘上的分布为正方形分布，且与数种盘上型孔相对应，种穴上下开口均为圆形，对于籼稻种子上口直径为18mm、下口直径为10-12mm，对于粳稻种子上口直径为12mm、下口直径为8-10mm，下端为以下口为直径的半球体，种穴高度为20-30mm，种穴整体呈倒圆锥体，种穴底部中心开直槽口，底部槽口应保证籽粒种胚在槽口处，即种子籽粒长度方向与槽口方向一致，槽口宽度为小于籽粒厚度尺寸，槽口高度大于籽粒长度，穴盘上每个种穴的槽口方向应与周围四个方向上的种穴槽口方向垂直布置；穴盘四角边缘与数种盘四角直角定位凸起对应；发芽培养穴盘的立体图如图4所示，发芽培养穴盘的三视图见图5所示；
水稻种子发芽率检测装置的穴盘托盘，托盘为一平底盘，内部盛水用于穴盘种穴底部槽口种子吸收水分，因此托盘大小尺寸与穴盘一致，深度比穴盘深度深10mm左右，穴盘边缘突出坐在托盘边缘上；发芽培养穴盘托盘图见图6所示；
水稻种子发芽率检测装置的布种排种过程：获取一定量的发芽率测试水稻作物种子样品，数量超过100粒，撒布在数种盘上，推动布种刷从一端运动到另一端，直至种子全部进入数种盘型孔中；推动排种盘使其型孔与数种盘型孔对中，种子籽粒从数种盘型孔经排种盘型孔进入穴盘种穴，种子进入种穴后落入位于种穴底部的槽口，种子长度方向与槽口方向一致；排种后穴盘上部的数种排种组件移开用于下一穴盘的播种。
水稻种子发芽率图像检测方法的步骤包括采集穴盘培养发芽种子图像、图像处理识别合格发芽种子秧苗和根、识别发芽但秧苗和根不合格种子、识别未发芽种子，计算出种子发芽率；
水稻种子发芽率图像检测方法的步骤包括采集穴盘培养发芽种子图像，通过本发明的发芽率测试装置进行作物种子发芽培养，水稻种子根从种胚中伸出后由槽口进入托盘，茎叶沿着种穴向上生长，种子发芽到发芽率测试规定时间，测试幼苗生长到一定高度，根生长到一定长度，种穴底部槽口方向不同，种子发芽根不会交织在一起，种苗向上生长，茎叶也不易交织在一起，因此可从发芽种子正上方俯视或者侧俯视采集图像；采集的水稻发芽种子图像如图7所示；
水稻种子发芽率图像检测方法的步骤包括图像处理识别发芽种子秧苗和根，经发芽率测试装置培养的发芽种子根和茎叶都不交织在一起，图象经滤波去除噪声等预处理(如图8所示)，经灰度化和二值化处理(如图9所示)，识别出种子籽粒，在此基础上识别出发芽种子对应的茎叶和根，根据颜色特征提取出发芽种子的茎叶和根(如图10所示)，根据种子的茎叶和根的相关特征参数确定合格发芽种子；种子的茎叶和根的特征参数达不到要求则确定为不合格发芽种子；种穴中无图像方法识别的茎叶和根，则确定种子未发芽；由此计算出种子的发芽率；检测发芽水稻种子如图11所示；
利用本发明的水稻种子发芽率检测装置进行水稻种子发芽率测试实验，经获取水稻种子发芽率图像、图像处理等过程，得到图像方法检测水稻种子发芽率的准确率达99.45％。
本发明通过设计特定的农作物发芽率的检测装置，利用该装置进行水稻种子发芽率的图像方法快速检测，对于其他农作物种类，例如小麦、玉米等农作物，具有不同尺寸和形态的种子通过改变本发明发芽率检测装置的数种盘型孔尺寸和穴盘种穴有关尺寸而适应不同农作物种子发芽率检测的需要，发芽率图像检测方法同样经过图像处理的基本步骤提取农作物种子的发芽率。

Claims (3)

1.一种基于图像的方法检测农作物种子发芽率检测装置以及检测种子发芽率的图像方法，其特征在于，该方法包括步骤：
S1.农作物种子发芽率检测装置由数种排种组件和种子穴盘培养组件组成，数种排种组件包括农作物种子数种盘、排种盘，种子穴盘培养组件包括发芽种子培养穴盘、托盘等部分组成；
S2.农作物种子发芽率图像检测方法的步骤包括采集穴盘培养发芽种子图像、图像处理识别出合格发芽种子秧苗和根、识别出发芽但秧苗和根不合格种子、识别出未发芽种子，计算作物种子发芽率。
2.根据权利要求1所述的基于图像的方法检测农作物种子发芽率检测装置以及检测种子发芽率的图像方法，其特征在于，步骤S1进一步包括：
S1.1农作物种子发芽率检测装置的数种盘为一有型孔的平板，数量为100孔，型孔的形状与农作物籽粒相似的椭圆形，椭圆孔的长度以籽粒长度的1.2倍为准，椭圆孔的宽度以籽粒宽度的1.2倍为准，数种盘的厚度以籽粒厚度为基准，避免孔内有2粒种子出现，型孔在数种盘上的分布规律为菱形或正方形分布，菱形分布适用于大粒种子，正方形分布适用于小粒种子，型孔间距为籽粒长度的2.0-3.0倍，减少发芽装置整体的尺寸，数种盘平板四周有10mm突起，避免种子在向型孔充种时种刷把种子刷出平板，种盘一侧留有多余种子存放和卸料口，数种盘平板四角底部应有直角定位凸起与培养穴盘四角边缘对应，材料采用透明玻璃，布种时种子播撒在数种盘上，并用于数种盘等宽的种刷刷种至型孔，多余的种子刷至数种盘另一端；
S1.2农作物种子发芽率检测装置的排种盘，排种盘平板位于数种盘下面插槽中，排种盘上开有相应的100孔，孔的形状为圆孔，圆孔的直径以籽粒长度1.2倍为准，型孔在排种盘上的分布与数种盘一致，平板的厚度可与数种盘一致，材料采用透明玻璃，数种盘型孔布种时排种盘型孔与数种盘型孔应错开布置，排种时推动排种盘至定位点排种盘型孔与数种盘型孔相对应，籽粒从数种盘型孔经排种盘型孔进入穴盘种穴，种子落粒后排种盘在另一端的弹簧作用下自动复位；
S1.3农作物种子发芽率检测装置的发芽种子培养穴盘，穴盘用透明玻璃或塑料制造，穴盘有100个种穴，种穴在穴盘上的分布与数种盘上型孔对应一致，种穴上下口均为圆形，上口直径以籽粒长度1.5-2.0倍为准，下口直径以籽粒长度1.2倍为准，下端为以下口为直径的半球体，种穴高度为20-30mm，种穴整体呈倒圆锥体，下口开直槽口，位于种穴底部中心，底部槽口应保证籽粒种胚在槽口处，即种子籽粒长度方向与槽口方向一致，槽口宽度为小于籽粒厚度尺寸，槽口高度大于籽粒长度，穴盘上每个种穴的槽口方向应与周围四个方向上的种穴槽口方向垂直布置；穴盘四角边缘与数种盘四角直角定位凸起对应；
S1.4农作物种子发芽率检测装置的穴盘托盘，托盘为一平底盘，内部盛水用于穴盘种穴底部槽口种子吸收水分，因此托盘大小尺寸与穴盘一致，深度比穴盘深度深10mm左右，穴盘边缘突出坐在托盘边缘上；
S1.5农作物种子发芽率检测装置的布种排种过程：获取一定数量的发芽率测试农作物种子样品，数量超过100粒，撒布在数种盘上，推动布种刷从一端运动到另一端，直至种子全部进入数种盘型孔中；推动排种盘使其型孔与数种盘型孔对中，种子籽粒从数种盘型孔经排种盘型孔进入穴盘种穴，种子进入种穴后落入位于种穴底部的槽口，种子长度方向与槽口方向一致；排种后穴盘上部的数种排种组件移开用于下一穴盘的播种。
3.根据权利要求1所述的基于图像的方法检测农作物种子发芽率检测装置以及检测种子发芽率的图像方法，其特征在于，步骤S2进一步包括：
S2.1农作物种子发芽率图像检测方法的步骤包括采集穴盘培养发芽种子图像，通过本发明的发芽率测试装置进行作物种子发芽培养，种子根从种胚中伸出后由槽口进入托盘，茎叶沿着种穴向上生长，到发芽率测试规定时间，种穴底部槽口方向不同，种子发芽根不会交织在一起，种苗向上在种穴中生长，茎叶也不易交织在一起，因此可从发芽种子正上方俯视或者侧俯视采集图像；
S2.2农作物种子发芽率图像检测方法的步骤包括图像处理识别发芽种子秧苗和根，经发芽率测试装置培养的发芽种子根和茎叶都不交织在一起，图象经去除噪声等预处理，经灰度化和二值化处理，识别出种子籽粒；在此基础上根据发芽种子茎叶和根的颜色特征提取识别出茎叶和根，由种子的茎叶和根的相关特征参数确定合格发芽种子；种子的茎叶和根的特征参数达不到要求则确定为不合格发芽种子；种穴中无图像方法识别的种子茎叶和根，则确定种子未发芽；由此计算出种子的发芽率。
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