基於關鍵質量點控制的玉米果穗考種裝置的製作方法

2023-06-29 18:24:06

專利名稱：基於關鍵質量點控制的玉米果穗考種裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及玉米考種技術領域，尤指一種基於關鍵質量點控制的玉米果穗考種裝置。
背景技術：
玉米科研人員為了建立玉米資源庫、開展玉米輔助育種實驗，其中重要的一個環節是對玉米果穗材料性狀的獲取，也就是玉米果穗考種。玉米果穗的基本性狀包括穗行數、行粒數、穗粒數、穗長、穗直徑、突尖長、穗軸長、穗軸直徑、果穗體積、穗軸體積、穗重、穗軸重、籽粒顏色、籽粒長度、籽粒寬度、籽粒厚、百粒重、籽粒類型等多達20個指標。通常情況下，進行玉米科學實驗，需要對上萬份的玉米果穗材料進行考種。需要考種的玉米材料數量、所要測量的指標數以及對指標精度的要求，使得玉米果穗考種是一費時費力的系統工程。目前，常見的考種方式有兩種人工考種和利用考種裝置考種。對於小規模考種一般以人工考種為主，但人工考種有很多弊端，如測量過程無法監控、考種指標太多、考種工序繁雜、人工成本太高、考種標準不統一等。對於大規模考種，玉米科研人員一般選擇考種裝置考種。玉米果穗考種裝置是利用數字圖像技術和傳感器技術對玉米果穗各指標進行測量。通過攝像頭採集玉米果穗、穗軸、籽粒圖像數據，通過圖像處理技術測量形態指標，通過重量傳感器設備獲取重量指標。隨著玉米自交系實驗、玉米雜交實驗等大面積科研實驗的開展，使得玉米品種繁多、形態各異，以顏色劃分有黃玉米、白玉米、黃白玉米、黑玉米、紫玉米、混合籽粒玉米(黃、白、黑、紫組合)；玉米果穗大小也 不盡相同，最短的有5cm左右,最長的確有50cm;另外,玉米果穗的規整度也不盡相同，自交系品種玉米果穗上的籽粒多以雜亂分布。從而給機器考種機械設計和圖像計算算法提出更高的要求。目前，基於圖像的考種裝置對考種中的關鍵質量點控制不具有普適性，果穗的顏色、大小、規整度以及果穗的擺放位置均會制約考種裝置的考種精度。同時，受光照影響而產生的採集圖像背景噪聲，由擺放隨意而產生的圖像畸變，由採集圖像的不完全信息導致穗行數估算錯誤都給基於圖像的考種測量帶來誤差。此外，現有的基於圖像的考種裝置一般只能對一根玉米果穗進行考種，考種效率低。

發明內容
針對現有技術存在的問題，本發明的目的在於提供一種能夠同時提高考種效率以及考種精度的玉米果穗考種裝置。為實現上述目的，本發明的基於關鍵質量點控制的玉米果穗考種裝置，包括多個玉米果穗載臺、圖像採集單元、補光單元和圖像處理單元；所述玉米果穗載臺用於承載並稱重待測玉米果穗；所述圖像採集單元用於採集多個玉米果穗載臺上的待測玉米果穗圖像；所述補光單元用於為圖像採集照明；所述圖像處理單元用於接收並處理所述圖像採集單元採集的玉米果穗圖像；所述玉米果穗載臺的載物面顏色與玉米果穗顏色相區別，使圖像採集單元採集的玉米果穗圖像的噪聲數據減少，並且玉米果穗載臺四周還設置有畸變校正區。進一步，多個所述玉米果穗載臺一字排開間隔設置，所述圖像採集單元設置在所述多個玉米果穗載臺中部的正上方，所述玉米果穗載臺為長方形託盤，所述畸變校正區為設置在長方形託盤四條邊上的黑色圍圈區域。進一步，所述玉米果穗載臺的載物面設置有深藍色拍攝背景布。進一步，所述噪聲數據為反光光圈和陰影。進一步，所述玉米果穗載臺的載物面上還設置有對其上橫放的玉米果穗進行限位的定位裝置。進一步，所述定位裝置為設置在所述玉米果穗載臺四角並以玉米果穗載臺上設置的重量傳感器為中心的四根定位柱，定位柱間的間距根據玉米果穗的尺寸設定以將玉米果穗定位在其中。進一步，所述玉米果穗考種裝置還設置有用於承載並稱重玉米籽粒的玉米籽粒載臺，所述玉米籽粒載臺為長方形託盤，該長方形託盤中設置有標準籽粒擺放區和異形籽粒標記區。進一步，所述圖像處 理單元能夠根據圖像採集單元採集的圖像以及所述玉米果穗載臺和所述玉米籽粒載臺採集的重量數據計算得到玉米果穗的基本性狀。進一步，所述玉米果穗的基本性狀包括穗行數、行粒數、穗粒數、穗長、穗直徑、突尖長、穗軸長、穗軸直徑、果穗體積、穗軸體積、穗重、穗軸重、籽粒顏色、籽粒長度、籽粒寬度、籽粒厚和百粒重。進一步，所述穗行數通過以下公式計算得到玉米穗行數=玉米籽粒的總粒數/行粒數，玉米籽粒的總粒數=(100 X籽粒總重)
/百粒重。本發明的玉米果穗考種裝置設置了多個玉米果穗載臺，可以同時對多個玉米果穗進行考種，大大提高了考種效率。此外，玉米果穗載臺的背景為與玉米果穗顏色有顯著差異的顏色，以減少反光光圈和陰影，為採集的圖像消除噪聲；玉米果穗載臺上還設置了畸變校正區，以消除遠離圖像採集單元的玉米果穗圖像的圖像畸變，提高考種精度。


圖1為本發明的玉米果穗考種裝置的示意圖；圖2為本發明的玉米果穗載臺的立體圖；圖3為本發明的玉米果穗載臺的俯視圖；圖4為本發明的玉米籽粒載臺的示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例，對本發明的具體實施方式
作進一步詳細描述。以下實施例用於說明本發明，但不限制本發明的範圍。如圖1所示，本發明的基於關鍵質量點控制的玉米果穗考種裝置，包括外殼1，外殼內I設有玉米果穗載臺2、工業相機4和兩個LED補光燈5和圖像處理器(圖中未示出)；多個玉米果穗載臺2 —字排開間隔設置在外殼I底部，工業相機4設置在外殼I頂部，位於多個玉米果穗載臺2所在排的中部正上方，其在外殼I內的安裝高度以及橫向位置可以根據外殼I底部玉米果穗載臺2的數量預先設定好，需要保證工業相機4可以拍攝到每一個玉米果穗載臺2上的待測玉米果穗；兩個LED補光燈5分置於工業相機4兩側；玉米果穗載臺2用於承載並稱重待測玉米果穗；工業相機4用於採集玉米果穗載臺2上的待測玉米果穗圖像；LED補光燈5用於為圖像採集照明；所述圖像處理單元用於接收並處理工業相機4採集的每一個玉米果穗載臺2上的玉米果穗圖像；為了便於區分載物面上的待測玉米果穗，玉米果穗載臺2的載物面顏色與待測玉米果穗顏色相區別，使工業相機4採集的玉米果穗圖像的噪聲數據減少。由於果穗主要由黃、白、黑、紫四種顏色以及其組合顏色組成，要求載物臺背景顏色必須在此之外；從環境光方面分析，由LED補光燈5照射在果穗上，會產生兩種噪聲數據反光光圈和陰影，為減少這兩種噪聲，應採用拍攝背景布作為託盤背景，結合顏色要求，採用深藍色的拍攝背景布作為載物面背景。另外，本發明為了考種效率的考慮，考種裝置中設置了多個玉米果穗載臺2，工業相機4可以同時採集每一個玉米果穗載臺上待測玉米果穗的圖像，然而工業相機4採集到的遠離工業相機4玉米果穗載臺上的果穗圖像會產生圖像畸變效果，影響測量精度，通過在玉米果穗載臺2四周設置畸變校正區，為畸變校正提供基礎。在用CXD攝像機採集圖像時，由於受景物對象與CXD攝像機三維空間相對位置關係、光學鏡頭畸變以及CCD攝像機質量等因素的影響，其採集的圖像中象素之間的空間關係會發生變化，即在圖像採集和測量中圖像產生了幾何失真或幾何畸變，用一標準圖案作為標定圖像，採集含該標準定標圖案的圖像並計算該標準定標圖案的圖像像元數，由於標準圖案的實際面積為已知，故可算出在該位置處的定標係數(即每個像元的長度當量和面積當量)，利用標準定標塊的長度和寬度是一個不變量作為比較判據對圖像進行畸變校正，在畸變校正的過程中，必須通過邊緣檢測法確定標準定標塊的邊緣，然後才能判定標準定標塊在所採集的圖像中發生的畸變程度，其中邊緣位置的精確定位對高精度測量圖像具有很大的影響。在本考種裝置中玉米果穗載臺`四周設置的畸變校正區即為標準定標塊。如圖2和3所示，玉米果穗載臺2為長方形託盤，所述畸變校正區以長方形託盤的四條邊21作為畸變校正參照物，閉合的四條邊21設置為純黑色，定義校正託盤的長邊為30cm，寬邊為10cm。對於單面採集的圖像，採集的果穗面對計算指標影響很大，考種人員選擇比較規整面進行考種測量，即沒有大面積的缺粒、亂行，為了玉米果穗橫放在果穗託盤上不會隨意移動，在果穗託盤上安裝四根定位柱22，四根定位柱22設置在果穗託盤四角並以果穗託盤上設置的重量傳感器為中心，定位柱22間的間距根據玉米果穗的尺寸設定以將玉米果穗定位在其中。如圖1和4所示，外殼I內還設置有用於承載並稱重玉米籽粒的玉米籽粒載臺3，玉米籽粒載臺3位於玉米果穗載臺2的上方，該玉米籽粒載臺3也為長方形託盤，玉米籽粒託盤3鉸接在外殼一側內壁，在採集玉米果穗圖像時，可以將玉米籽粒託盤3翻起，在採集玉米籽粒圖像時，將玉米籽粒託盤3平放。玉米籽粒託盤中設置有標準籽粒擺放區32和異形籽粒標記區31，異形籽粒標記區31可以通過四條閉合的黑邊圍成也可以通過其他方式設置，通常情況下籽粒的長度大於寬度，但對於有些玉米品種卻相反，為了避免籽粒長寬指標測量顛倒導致的誤差，將籽粒長寬顛倒的異形籽粒按照統一的規則預先擺放至異形籽粒標記區31，即以橫向為籽粒寬縱向為籽粒長原則，對於長寬標準的籽粒可以隨意擺放在標準籽粒擺放區32。基於單面圖像所導致的圖像信息不完全性和由多面圖像拼接所導致的邊界誤差，即同一行籽粒出現在兩個側面上，都會導致穗行數指標誤差比較大，玉米果穗穗行數為偶數的特性，進一步放大了誤差係數，對於穗行數為16行的玉米果穗，如果出現誤差，最小的誤差為2，誤差率高達12. 5%，遠遠大於誤差有效範圍3%。本發明的圖像處理單元能夠利用模型約束方法控制穗行數測量指標的誤差，其是利用有效測量指標推導穗行數指標。根據重量傳感器測量得出果穗重量、穗軸重量，從而可以得到所有籽粒重量；圖像處理單元基於圖像的技術容易獲取行粒數，籽粒個數。通過重量傳感器測量得出籽粒百粒重；那麼玉米果穗的籽粒數(總粒數 )=(100 X籽粒總重)/百粒重，那麼玉米穗行數=總粒數/行粒數。本發明的考種裝置可以同時對多個玉米果穗進行考種，並且對基於圖像技術和傳感技術玉米考種系統考種測量過程的幾個關鍵質量點進行約束控制，確保考種過程在嚴格的質量控制下進行，使所有測量參數在誤差範圍之內。
權利要求
1.基於關鍵質量點控制的玉米果穗考種裝置，其特徵在於，包括多個玉米果穗載臺、圖像採集單元、補光單元和圖像處理單元；所述玉米果穗載臺用於承載並稱重待測玉米果穗；所述圖像採集單元用於採集多個玉米果穗載臺上的待測玉米果穗圖像；所述補光單元用於為圖像採集照明；所述圖像處理單元用於接收並處理所述圖像採集單元採集的玉米果穗圖像；所述玉米果穗載臺的載物面顏色與玉米果穗顏色相區別，使圖像採集單元採集的玉米果穗圖像的噪聲數據減少，並且玉米果穗載臺四周還設置有畸變校正區。
2.根據權利要求1所述的玉米果穗考種裝置，其特徵在於，所述多個玉米果穗載臺一字排開間隔設置，所述圖像採集單元設置在所述多個玉米果穗載臺中部的正上方，所述玉米果穗載臺為長方形託盤，所述畸變校正區為設置在長方形託盤四條邊上的黑色圍圈區域。
3.根據權利要求1所述的玉米果穗考種裝置，其特徵在於，所述玉米果穗載臺的載物面設置有深藍色拍攝背景布。
4.根據權利要求1所述的玉米果穗考種裝置，其特徵在於，所述噪聲數據為反光光圈和陰影。
5.根據權利要求1所述的玉米果穗考種裝置，其特徵在於，所述玉米果穗載臺的載物面上還設置有對其上橫放的玉米果穗進行限位的定位裝置。
6.根據權利要求5所述的玉米果穗考種裝置，其特徵在於，所述定位裝置為設置在所述玉米果穗載臺四角並以玉米果穗載臺上設置的重量傳感器為中心的四根定位柱，定位柱間的間距根據玉米果穗的尺寸設定以將玉米果穗定位在其中。
7.根據權利要求1所述的玉米果穗考種裝置，其特徵在於，所述玉米果穗考種裝置還設置有用於承載並稱重玉米籽粒的玉米籽粒載臺，所述玉米籽粒載臺為長方形託盤，該長方形託盤中設置有標準籽粒擺放區和異形籽粒標記區。
8.根據權利要求1所述的玉米果穗考種裝置，其特徵在於，所述圖像處理單元能夠根據圖像採集單元採集的圖像以及所述玉米果穗載臺和所述玉米籽粒載臺採集的重量數據計算得到玉米果穗的基本性狀。
9.根據權利要求8所述的玉米果穗考種裝置，其特徵在於，所述玉米果穗的基本性狀包括穗行數、行粒數、穗粒數、穗長、穗直徑、突尖長、穗軸長、穗軸直徑、果穗體積、穗軸體積、穗重、穗軸重、籽粒顏色、籽粒長度、籽粒寬度、籽粒厚和百粒重。
10.根據權利要求9所述的玉米果穗考種裝置，其特徵在於，所述穗行數通過以下公式計算得到 玉米穗行數=玉米籽粒的總粒數/行粒數，玉米籽粒的總粒數=(100X籽粒總重)/百粒重。
全文摘要
本發明公開了基於關鍵質量點控制的玉米果穗考種裝置，包括多個玉米果穗載臺、圖像採集單元、補光單元和圖像處理單元；所述玉米果穗載臺的載物面顏色與玉米果穗顏色相區別，使圖像採集單元採集的玉米果穗圖像的噪聲數據減少，並且玉米果穗載臺四周還設置有畸變校正區。本發明的玉米果穗考種裝置設置了多個玉米果穗載臺，可以同時對多個玉米果穗進行考種，大大提高了考種效率。此外，玉米果穗載臺的背景為與玉米果穗顏色有顯著差異的顏色，以減少反光光圈和陰影，為採集的圖像消除噪聲；玉米果穗載臺上還設置了畸變校正區，以消除遠離圖像採集單元的玉米果穗圖像的圖像畸變，提高考種精度。
文檔編號A01C1/00GK103053243SQ20131001552
公開日2013年4月24日 申請日期2013年1月16日 優先權日2013年1月16日
發明者郭新宇, 吳升, 肖伯祥, 杜建軍, 溫維亮 申請人:北京農業信息技術研究中心