穀物實粒數的自動測量裝置及方法

2023-10-07 22:48:39 5

專利名稱：：穀物實粒數的自動測量裝置及方法
技術領域：
：本發明涉及數字圖像處理技術，特別是穀物實粒數的自動測量裝置及方法。
背景技術：
：數字圖像處理與模式識別技術在幾十年內得到迅速發展並在工業自動化、智能交通、衛星遙感、軍事偵察、生物醫學等應用領域中得到廣泛的應用。在數位化農業日益推廣的今天，利用數字圖像處理技術進行植物參數的自動提取具有廣闊的應用前景。計算機視覺技術已經開始得到植物學等基礎學科研究人員的關注。根據中華人民共和國水利行業標準，飽滿度用灌漿充實程度表示，灌漿充實程度大於2/3的即為飽滿的穀粒。現有技術主要是通過人工手動測量穀物的飽滿度，還沒有現成的對穀粒飽滿度的自動測量方法。人工手動測量方法主要是利用空粒和實粒密度不同，主要有水沉法，將穀粒置於水中，沉下去的即為實粒；風力法，手動控制風力，被吹走的即為空粒；這兩種方法都沒有一個定量的數據比，只能定性的分析，主觀誤差很大，而且可重複性不強，操作也很麻煩，不能滿足植物自動參數提取的需求。
發明內容本發明的目的在於提供穀物實粒數的自動測量裝置及方法，用於準確自動測量穀物參數和實粒數。為實現上述目的，本發明提供了一種穀物實粒數的自動測量裝置，包括穀物脫粒儀，用於進行穀物的脫粒；流水線系統，用於傳送所述脫粒後的穀粒；成像系統，用於採集所述流水線系統中脫粒後的穀粒以及穀粒內米粒的實時圖像，並傳輸所述圖像；計算機，用於控制整個自動測量裝置，並處理圖像，獲得穀粒和米粒的個數、面積及穀粒實粒數。本發明還提供了一種穀物實粒數的自動測量方法，包括對穀物脫粒後傳送脫粒後的穀粒，採集脫粒後的穀粒以及穀粒內米粒的實時圖像，通過圖像處理獲得穀粒和米粒的個數、面積及穀粒實粒數。本發明能夠對穀物進行自動脫粒，採用CCD相機和X射線分別對穀粒和米粒成像，並對圖像進行處理，可以測量出穀粒和米粒的個數和面積，根據穀粒和米粒面積的比值確定穀粒中5的實粒數。本發明能自動快速無損地提取穀粒米粒參數，給出定量的結果，實現穀粒飽滿度自動化測量。圖l為本發明的實施例中穀物實粒數自動測量裝置的結構圖2為本發明的實施例中穀物實粒數自動測量方法的流程圖3為本發明的實施例中採集得到的穀粒的LCCD閾值分割結果圖像；圖4為本發明實施例中採集得到的穀粒的X射線閾值分割結果圖像。具體實施例方式為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面結合附圖對本發明作進一步的詳細描述。圖l為本發明實例提供的穀物實粒數自動測量裝置的結構圖，具體包括包括光電開關l，可控升降板2、單株脫粒儀3、狹縫式管道接口4、控制按鈕5、CCD相機6、X-ray放射源7、皮帶8、毛刷9、X-ray探測器10、帶震動裝置的穀粒分離通道板l1、安全防護設施12、計算機13、皮帶控制器14。光電開關1與可控升降板2相連位於單株脫粒儀3入口處，狹縫式管道接口4上端連接單株脫粒儀3下端連接帶震動裝置的穀粒分離通道板11，控制按鈕5與可控升降板2及計算機13相連，CCD相機6與圖像採集卡以及計算機13相連、X-ray探測器10與計算機13相連。CCD相機6、X-ray放射源7、皮帶8、毛刷9、X-ray探測器lO、帶震動裝置的穀粒分離通道板11都包在安全防護設施12以內。皮帶8與皮帶控制器14相連。毛刷9位於皮帶8下部外側。其中，光電開關l，用於控制可控升降板升降。可控升降板2，與上述光電開關l相連，用於控制單株脫粒儀打穀；單株脫粒儀3，用於進行稻穗的脫粒。本系系統採用KT-100單株脫粒儀，它在水稻籽粒含水率18-23%的條件下，殘留量O粒，破碎率小於0.2%，總損失率小於1%，含雜率小於O.5%，每小時可脫粒200株或500穗。系統需要測量單株甚至單穗總粒數及實粒數，以穗為單位進行脫粒，同時，不僅要保留實粒，空粒和癟粒也需要保留。而市售的脫粒機大多數都是農用脫粒機，體積龐大且笨重，脫粒損失率和含雜率高，一般用於大捆稻穗的脫粒。所以採用該單株脫粒儀更好地符合我們的要求。狹縫式管道接口4，引導穀粒落到流水線，並能減緩穀粒下落速度，拉大穀粒下落的時間差，起到分離穀粒的作用。控制按鈕5，用來控制單穗的測量，若且唯若控制按鈕的開關按下，同時光電開關檢測到人手，可控升降板才會上升，按下的次數即穗數。CCD相機6，CCD(ChargeCoupledDevice)即電荷耦合器件，能把光線轉變成電荷，通過模數轉換器晶片轉換成數位訊號。該CCD相機為線陣列相機(LCCD)，採用線掃描的方式成像，通過圖像採集卡接受計算機的命令實現圖像實時採集，並通過圖像採集卡將圖像數據傳輸給計算機。X-ray放射源7，放射出X-ray用於米粒成像。皮帶8，用於傳輸和分離穀粒。毛刷9，位於皮帶8的下部外側，除去附著在皮帶上的殘粒，防止重複測量。X-ray探測器lO，用於接受經過穀粒和皮帶的X-ray，並將圖像數據傳輸給計算機13用於圖像處理。帶震動裝置的穀粒分離通道板ll，和狹縫式管道接口4相連，位於4的下方，該通道板上面布滿交錯排列的釘子，用於對黏連穀粒進行進一步分離。安全防護設施12，製作鉛房，把整個流水線系統和成像系統置於鉛房內，以防止X-ray對人體造成輻射傷害。計算機l3，實現對整個自動測量裝置的控制和對圖像的處理。皮帶控制器14，通過步進電機控制皮帶移動的速度，同時使用旋轉編碼器監控皮帶移動的速度。其中，包括皮帶8、毛刷9、皮帶控制器14，需要構成流水線系統，由加工廠定做。皮帶的顏色應與穀粒顏色形成較大色差，方便圖像處理中穀粒的提取，以藍色或者黑色為好。皮帶控制器需要很精確的調節，用來調節皮帶速度使其與CCD相機的成像速度匹配。皮帶8的運轉速度必須與CCD的掃描速度匹配上才能得到不失真的圖像，速度匹配用標準樣品進行拍攝就可確定。標準物品一般選規則物品如硬幣，將此物品在流水線上用CCD的掃描成像，通過觀察成像結果改變流水線速度，如圖像壓縮則應減小流水線速度，圖像拉伸應增大流水線速度，經過多次實驗即可確定匹配的流水線速度。本系統可以自動，快速，準確地獲取穀物實粒數。首先本自動測量裝置利用傳送帶流動傳輸，利用穀物從脫粒機落下的時間差，用傳送帶達到分離穀粒的目的。其次在脫粒機和流水線之間加上狹縫式管道接口，以減緩穀粒下落速度，拉大穀粒下落的時間差。採用這種接口還有一個優點就是不會產生水平方向的聚集且不會有穀粒堵塞漏鬥孔的問題。另外在狹縫式管道接口和流水線之間加上分離通道板和震動電機，這樣即時有少量的黏連穀粒也可以通過此通道板分開。最後系統採用CCD和X-ray同時成像，其中CCD用於拍攝穀粒成像，X-ray可以無損地獲取米粒面積，只需經過流水線傳送即可同時測出穀粒和米粒的各個參數並在此基礎上得到穀粒總粒數和實粒數，測量結果精確可靠。如圖2所示，為本發明實施例中穀物實粒數自動測量方法的流程圖，具體包括以下步驟步驟201、按下控制按鈕，開始測量，按鈕發出信號通過串口傳入計算機。步驟202、把稻穗置於單株脫粒儀的入口處，光電開關檢測到人手後，控制可控升降板上升，同時給出信號通過串口傳入計算機。計算機接收到信號後，會有一定時間延時，然後才開始採集圖像。這是因為單株脫粒儀進行打穀還需要一定時間，在穀物落到流水線上之前進行採集的話會採集到空白圖像。因此計算機採用這種延時機制來防止開始採集到大量空白圖像，通過實驗室測量，延時時間通常設置為l秒，當然，這一時間並非固定，可根據使用情況進行調整。步驟203、將稻穗放入單株脫粒儀入口進行脫粒，延時一段時間後計算機給出命令控制CCD相機和X-ray探測器開始拍攝圖像，並分別通過圖像採集卡和USB線傳送到計算機。之所以要用CCD相機和X-ray探測器同時成像，主要是因為，通過CCD相機成像能夠得到穀粒的圖像，通過圖像識別技術可以在圖像中識別出穀粒，進而測量穀粒的個數、面積等參數；通過X-ray成像能夠穿過穀殼，直接對穀物中的米粒成像，因為穀殼對X射線的吸收率遠低於米粒，這樣就能夠在X射線成像的圖像中識別出米粒，進而測量米粒面積等參數。步驟204、完成脫粒工作後，將脫粒後的稻穗取出，光電開關檢測到這一變化，給出信號使可控升降板下降，並通過串口把單穗測量結束信號傳給計算機，延時一段時間後計算機停止數據採集。這裡之所以還要延時是因為在流水線上還有未測量的穀物，對其也要進行圖像採集。計算機對獲得的圖像數據進行圖像處理工作，包括圖像前期濾波去噪處理、閾值分割得到分離的穀粒及米粒等操作，在此基礎上得到穀粒數和米粒數並測量各個穀粒和米粒的粒面積，並通過米粒面積/對應穀粒面積得到各穀粒的飽滿度，飽滿度>2/3的穀粒即為實粒數。此處涉及到的圖像處理算法採用標準常用算法，例如，要提高圖像對比度，可採用直方圖分布優化來增強整個圖像的對比度。應用實例實驗生物材料為檢測本裝置識別實粒數的能力，採用有較多空粒的未完全成熟的水稻作為實驗材料。將一穗成熟的水稻置於本發明的裝置入口處，按上述方法進行操作，計算機獲取採集的CCD和X-ray圖像數據，並對圖像進行處理和運算(見圖3-4)，最終獲得該水稻實粒數。下面為測量結果穀粒面積米粒面積飽滿度穀粒面積米粒面積飽滿度穀粒面積米粒面積飽滿度穀粒面積米粒面積飽滿度23170.7391380600.75760067650.97015124920.74194820059540.9152556009400710069600.8695761470.7704997680.7010381550.6790161560.9180355490.8909196750.781258800570063560.88889103940.912627200930063590.9365193810.8709774650.878387000590078740.9487278430.551285500550097690.7113478330.423086900350085630.7411888730.8295561530.86885450066350.530376680.89474580068590.8676592640.6956575460.613336700500081630.7777879750.949377200530082720.8780577620.8051962003800101780.772287070161500.81967580092800.869577040.05714364620.9687557490.8596585720.8470677610.792215555150300.6720067610.9104576700.9210554460.8518576660.86842800062520.8387150460.9276610.80263650079650.822784747189750.842759570.966153480.9056652490.9423180650.81255900560045400.8888970510.7285768560.823537400550082630.76829750063470.7460347440.93617103910.883572420.58333640050490.989tableseeoriginaldocumentpage10表l飽滿度計算結果結果總粒數163粒實粒數100粒通過人工數粒數得總粒數準確值163。可見，以上方法在提取穀粒總粒數上正確率達到100%。實粒數為飽滿度〉2/3的穀粒數，整個處理過程嚴格按照此標準提取，故所得結果應為真實值。權利要求權利要求1一種穀物實粒數的自動測量裝置，其特徵在於，包括穀物脫粒儀，用於進行穀物的脫粒；流水線系統，用於傳送所述脫粒後的穀粒；成像系統，用於採集所述流水線系統中脫粒後的穀粒以及穀粒內米粒的實時圖像，並傳輸所述圖像；計算機，用於控制整個自動測量裝置，並處理圖像，獲得穀粒和米粒的個數、面積及穀粒實粒數。2.根據權利要求l所述的裝置，其特徵在於，所述流水線系統具體包括皮帶，用於傳輸和分離所述脫粒後的穀粒；毛刷，位於所述皮帶的下部外側，用於去除附著在所述皮帶上的殘留穀粒；皮帶控制器，用於通過步進電機控制所述皮帶移動的速度。3.根據權利要求l所述的裝置，其特徵在於，所述成像系統具體包括CCD相機，用於採集所述流水線系統中脫粒後的穀粒實時圖像，並傳輸所述圖像；X射線放射源與探測器，用於採集所述流水線系統中穀粒內米粒的實時圖像，並傳輸所述圖像；4.根據權利要求l、2或3所述的裝置，其特徵在於，該系統進一步包括控制按鈕，用於控制單穗穀物實粒數的測量；光電開關，位於所述穀物脫粒儀的入口上方，用於感應人手，控制可控升降板的升降可控升降板，位於所述穀物脫粒儀的入口外部，用於在控制按鈕及光電開關的控制下抬高或降低，當所述控制按鈕按下，且所述光電開關感應到人手，則可控升降板抬高。5.根據權利要求4所述的裝置，其特徵在於，該系統進一步包括狹縫式管道接口，與所述穀物脫粒儀相連，位於穀物脫粒儀下方，用於引導穀粒落到流水線系統，減緩穀粒下落速度，分離穀粒。6.根據權利要求5所述的裝置，其特徵在於，該系統進一步包括帶震動裝置的穀粒分離通道板，與所述狹縫式管道接口相連，用於對黏連穀粒的進一步分離。7.根據權利要求6所述的裝置，其特徵在於，該裝置進一步包括安全防護設施，為一鉛房，將所述流水線系統和成像系統置於鉛房內，用於防止X射線對人體的輻射傷害。8.一種穀物實粒數的自動測量方法，其特徵在於，包括對穀物脫粒後傳送脫粒後的穀粒，採集脫粒後的穀粒以及穀粒內米粒的實時圖像，通過圖像處理獲得穀粒和米粒的個數、面積及穀粒實粒數。9.根據權利要求8所述的方法，其特徵在於，所述採集實時圖像具體包括採集脫粒後的穀粒實時圖像，並通過X射線探測採集穀粒內米粒的實時圖像。10.根據權利要求9所述的方法，其特徵在於，所述獲得穀粒和米粒的個數、面積及穀粒實粒數具體包括分別對所述穀粒圖像和米粒圖像進行前期濾波去噪處理和閾值分割，得到分離的穀粒和米粒圖形；計算穀粒和米粒個數，測量穀粒和米粒的面積，對比穀粒圖像中特定穀粒與對應米粒圖像中該穀粒內米粒的面積，當所述米粒面積與穀粒面積的比值大於一特定閾值時，該穀粒為實粒，得到所有穀粒中的實粒數。全文摘要本發明公開了一種穀物實粒數的自動測量裝置，包括穀物脫粒儀，用於進行穀物的脫粒；流水線系統，用於傳送所述脫粒後的穀粒；成像系統，用於採集所述流水線系統中脫粒後的穀粒以及穀粒內米粒的實時圖像，並傳輸所述圖像；計算機，用於控制整個自動測量裝置，並處理圖像，獲得穀粒和米粒的個數、面積及穀粒實粒數。本發明還公開了一種穀物實粒數的自動測量方法，包括對穀物脫粒後傳送脫粒後的穀粒，採集脫粒後的穀粒以及穀粒內米粒的實時圖像，通過圖像處理獲得穀粒和米粒的個數、面積及穀粒實粒數。本裝置可以自動、快速、準確地獲取穀物參數及實粒數。文檔編號G01N15/10GK101458204SQ20081030649公開日2009年6月17日申請日期2008年12月24日優先權日2008年12月24日發明者謙劉,徐小春,昆畢,駱清銘申請人:華中科技大學