專利名稱：稻米參數(shù)自動測量裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于機器視覺檢測技術(shù)，具體涉及一種稻米參數(shù)自動測量裝置 及方法。該裝置夠自動測量一穗水稻上米粒的參數(shù)包括粒數(shù)、粒長、粒寬、 粒面積等，適用于數(shù)字化農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
水稻是我國主要糧食作物之一，在水稻品種試驗、示范、推廣以及高 產(chǎn)栽培試驗中。都需要對水稻品種進行考種調(diào)查，以確定其利用價值。多 數(shù)情況下，室內(nèi)考種主要由科研人員進行人工測量。隨著計算機技術(shù)的飛 速發(fā)展，機器視覺技術(shù)的研究和應(yīng)用越來越廣泛。與人工檢測技術(shù)相比， 視覺檢測技術(shù)具有速度快、精度高、重復(fù)性好等優(yōu)點，在農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)檢測 領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。由于糧食結(jié)構(gòu)的原因，國外對稻米檢測的研究 不多。中國農(nóng)業(yè)大學(xué)凌云等人設(shè)計了一套動態(tài)谷物圖像檢測系統(tǒng)(文獻出
處凌云，基于機器視覺的谷物外觀品質(zhì)檢測技術(shù)研究，博士學(xué)位論文， 北京中國農(nóng)業(yè)大學(xué)，2004 )。系統(tǒng)主要由計算機和圖像采集系統(tǒng)構(gòu)成， 計算機中內(nèi)置圖像采集卡，圖像采集系統(tǒng)由CCD攝像機、光源系統(tǒng)、進料機 構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)和出料機構(gòu)組成。進料機構(gòu)由漏斗、數(shù)粒儀、進料導(dǎo)槽、限 位板和玻璃載物盤組成，使谷物能夠單粒、順序的下落到玻璃載物盤上， 以避免采集圖像時出現(xiàn)大量的籽粒粘連現(xiàn)象，但這種單粒下落的方法處理 速度很慢。同時由于采用CCD拍照，只能處理脫殼后的稻米，而去殼過程中 很容易造成米粒的損傷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種稻米參數(shù)自動測量裝置及方法，該裝置能 夠自動測量一穗水稻上米粒的參數(shù)包括粒數(shù)、粒長、粒寬、粒面積等。
本發(fā)明提供的稻米參數(shù)自動測量裝置，包括光電開關(guān)1、可控升降板2、 單株脫粒儀3、控制按鈕4、射線源鉛盒5、 X射線源6、 X射線探測器7、 手動平移臺8、皮帶9、毛刷10、鉛箱11、 X射線源控制器12、計算機13、 皮帶控制器14，光電開關(guān)1分別與可控升降板2和計算機13相連，且光電 開關(guān)1和可控升降板2位于單林脫粒儀3入口處，控制按鈕4分別與可控
升降板2及計算機13相連，X射線源6放置在鉛盒5中，鉛盒5置于皮帶 9上側(cè)，鉛盒朝向探測器一面的中部開有一圓形孔，X射線探測器7位于皮 帶9內(nèi)側(cè)，X射線探測器7通過螺釘固定在手動平移臺8上，通過手動平移 臺調(diào)節(jié)X射線探測器7的水平位置使得X射線源6和X射線探測器7位于 同一垂直平面上，X射線源6與X射線源控制器12相連，X射線探測器7 通過USB接口與與計算機13連接，射線源鉛盒5、 X射線源6、 X射線探測 器7、手動平移臺8、皮帶9及毛刷IO都包在鉛箱11內(nèi)部，皮帶9與皮帶 控制器14相連，毛刷10位于皮帶9下部外側(cè)。鉛盒及鉛箱都是用于安全 防護。
稻米參數(shù)自動測量方法，按以下步驟進行(1)打開X射線源控制器、 單抹脫粒儀和計算機，每進行一穗水稻的測量工作前，操作人員先按下控 制按鈕，控制按鈕發(fā)出信號給計算機，通知計算機開始新的一穗的測量。 把稻穗放到單林脫粒儀入口處，光電開關(guān)檢測到人手后，發(fā)出信號給計算 機，當(dāng)且僅當(dāng)計算機接收到了控制按鈕和光電開關(guān)兩個信號后，計算機才 控制可控升降板上升，暴露出打谷口，允許單抹脫粒儀開始打谷。同時計 算機開始延時，谷粒由單抹脫粒儀出口通過直槽式接口落到皮帶上，由運 轉(zhuǎn)的皮帶分離谷粒，延時ls后，計算機開始啟動X射線探測器拍攝谷粒的 圖像數(shù)據(jù)，完成脫粒工作后，操作人員將脫粒后的稻穗取出，光電開關(guān)檢 測到人手的離開，發(fā)出信號給計算機，計算機控制可控升降板下降，計算 機開始延時，延時4s后計算機停止數(shù)據(jù)采集；(2)計算機經(jīng)過數(shù)字圖像處 理及分析后得到稻米的參數(shù)包括粒數(shù)、粒長、粒寬、粒面積。
數(shù)字圖像處理及分析包括以下幾個步驟(1)拍攝的圖像中存在較大噪 聲，本系統(tǒng)采用NL-means濾波法及中值濾波法濾除圖像的噪聲；(2)將去 噪后的圖像閾值二值化，本系統(tǒng)采用聚類法；(3)將二值化后的圖像進行去 除小粒子的操作，去掉二值化圖像中的背景噪聲；(4)去噪后的圖像進行開 操作，去掉微弱邊緣，然后進行填充操作，填補米粒中間的孔洞；(5)對處 理后的圖像進行距離變換得到圖像的距離函數(shù)；(6)對距離圖像進行灰度重 建，去掉圖像中的區(qū)域極大值，起到'削峰，的作用；(7)對重建后的圖像 進行分水冷分割；(8)對分割后的圖像單個粒子區(qū)域進行橢圓擬合，得到各 谷粒的粒長、粒寬，并通過數(shù)區(qū)域內(nèi)的像素個數(shù)得出粒面積；(9)分水嶺分 割后可能還存在未分割的粘連籽粒，通過面積判斷的方法將這些籽粒進行 平均化處理；面積閾值的選取方法是求(8)中得到的所有粒面積的平均值的 倍數(shù)。本系統(tǒng)采用1. 5倍平均面積作為面積閾值。
NL-means又稱為非局部均值化方法，該算法濾波后的值具有如下公式
1 (G。X化)-"(y+.)卩)(0)
這里G。是一個Gaussian核，其標(biāo)準(zhǔn)差為a, C(x)是歸一化因子，/ 為濾波 參數(shù)。
(g。,o+.)—mO+,)12) (o) = Jj 2 g。0)|wO+0-"O+,)|2&.
該公式意味著W(x)是用"(力平均值的權(quán)重所代替。權(quán)重僅僅在包圍少的高斯
窗口相似于包圍x的高斯窗口是較大的。因此NL-means算法使用自相似性
來去掉噪聲。這樣可在濾除噪聲的同時較好的保護邊緣。
本發(fā)明由預(yù)設(shè)的電腦程序控制，采用單林脫粒儀將稻穗脫粒，谷粒由 單抹脫粒儀通過直槽式接口落到皮帶上，由運轉(zhuǎn)的皮帶分離谷粒；由X-ray 成像系統(tǒng)拍攝X射線透射圖，由計算機將所得圖像進行處理，得到稻米的 各項參數(shù)。
本發(fā)明利用X射線成像的方法，用數(shù)字圖像處理技術(shù)處理拍攝到的圖 像，得到稻米的各項參數(shù)。無需對脫粒后的谷粒進行去殼處理，且將脫粒、 參數(shù)提取集成到一個系統(tǒng)中，具有安全無損、測量結(jié)果準(zhǔn)確可靠，操作簡 單等優(yōu)點。


圖1為本發(fā)明稻米參數(shù)自動測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為水稻樣品結(jié)果圖； 圖3為樣品粒面積直方圖； 圖4為樣品粒長直方圖； 圖5為樣品粒寬直方圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和實例對發(fā)明作進一步詳細(xì)的說明。
本發(fā)明提供的稻米參數(shù)自動測量裝置，包括光電開關(guān)1、可控升降板2、 單抹脫粒儀3、控制按鈕4、射線源鉛盒5、 X射線源6、 X射線探測器7、 手動平移臺8、皮帶9、毛刷10、鉛箱11、 X射線源控制器12、計算才幾13、 皮帶控制器14,光電開關(guān)1分別與可控升降板2和計算機13相連，且光電 開關(guān)1和可控升降板2位于單抹脫粒儀3入口處，控制按鈕4分別與可控 升降板2及計算機13相連，X射線源6放置在鉛盒5中，鉛盒5置于皮帶 9上側(cè)，鉛盒朝向探測器一面的中部開有一圓形孔，X射線探測器7位于皮 帶9內(nèi)側(cè)，X射線探測器7通過螺釘固定在手動平移臺8上，通過手動平移
臺調(diào)節(jié)X射線探測器7的水平位置使得X射線源6和X射線探測器7位于 同一垂直平面上，X射線源6與X射線源控制器12相連，X射線探測器7 通過USB接口與與計算機13連接，射線源鉛盒5、 X射線源6、 X射線探測 器7、手動平移臺8、皮帶9及毛刷IO都包在鉛箱11內(nèi)部，皮帶9與皮帶 控制器14相連，毛刷10位于皮帶9下部外側(cè)。鉛盒及鉛箱都是用于安全 防護。
其中，包括皮帶9、毛刷IO、皮帶控制器14構(gòu)成流水線系統(tǒng)，為定做 的。皮帶采用對射線衰減較小的薄皮帶，皮帶控制器帶數(shù)碼顯示，可以精 確調(diào)節(jié)皮帶速度并用于與X射線探測器速度的匹配。扇束X射線源6和線 陣X射線探測器7構(gòu)成X射線成像系統(tǒng)，裝置采用扇束X射線源，發(fā)出扇 形射線束，相對應(yīng)的X射線探測器也采用線陣列，X射線成像系統(tǒng)采用線掃 描的方式成像，因此皮帶的運轉(zhuǎn)速度必須與X射線探測器的掃描速度完全 匹配上才能得到不失真的圖像，速度匹配的實驗方法是采用標(biāo)準(zhǔn)樣品進行 拍攝，得到不變形的圖像即說明速度完全匹配上了 。
稻米參數(shù)自動測量方法，按以下步驟進行(1)打開X射線源控制器、 單抹脫粒儀和計算機，每進行一穗水稻的測量工作前，操作人員先按下控 制按鈕，控制按鈕發(fā)出信號給計算機，通知計算機開始新的一穗的測量， 把稻穗放到單林脫粒儀入口處，光電開關(guān)檢測到人手后，發(fā)出信號給計算 機，當(dāng)且僅當(dāng)計算機接收到了控制按鈕和光電開關(guān)兩個信號后，計算機才 控制可控升降板上升，暴露出打谷口，允許單抹脫粒儀開始打谷，同時計 算機開始延時，谷粒由單抹脫粒儀出口通過直槽式接口落到皮帶上，由運 轉(zhuǎn)的皮帶分離谷粒，延時ls后，計算機開始啟動X射線探測器拍攝谷粒的 圖像數(shù)據(jù)，完成脫粒工作后，操作人員將脫粒后的稻穗取出，光電開關(guān)檢 測到人手的離開，發(fā)出信號給計算機，計算機控制可控升降板下降，計算 機開始延時，延時4s后計算機停止數(shù)據(jù)采集；(2)計算機經(jīng)過數(shù)字圖像處 理及分析后得到稻米的參數(shù)包括粒數(shù)、粒長、粒寬、粒面積。
整個過程中流水線系統(tǒng)、單林脫粒儀、X射線源、X射線探測器都為連 續(xù)工作。
實例
實驗標(biāo)準(zhǔn)材料l元硬幣，其直徑為25mm。
將一元的硬幣置于皮帶上進行掃描拍攝，得到其直徑測量值為79個像 素；像素長、寬均為O. 4mm，即測量值為79*0. 4mm= 31. 6mm。 實際直徑25mm
乂射線成像系統(tǒng)放大倍率=像寬/物寬=31. 6mm/25,=l. 3 實驗生物材料成熟的水稻。將一穗成熟的水稻置于本發(fā)明的裝置入
口處，按上述方法進行操作，最后得到該稻穗的粒數(shù)為172粒，米粒的平 均粒面積、平均粒長、平均粒寬分別為97.94、 17.94、 6.81 (以像素為單 位)，對應(yīng)實際值分別為
實際平均粒面積=97. 94*0. 4*0, 4/(1. 3*1. 3) =9. 3隨2,
實際平均粒長=17. 94*0. 4/1. 3=5. 5mm,
實際平均粒寬=6. 81*0. 4/1. 3=2. lmm。
目前粒長、粒寬的手動測量方法是采用直尺法。手動測量粒長、粒寬 平均值分別為5. 8mm、 2. Omm,相對誤差分別為5.17%、 5%。這個誤差主要 是由于米粒的質(zhì)量不一樣，而用直尺測量只能測表面長度，米粒的飽滿度 對其測量結(jié)果無影響，但是本方法還可反映米粒的飽滿度。這也是本裝置 的優(yōu)勢之一。粒面積暫時無簡單的手動測量方法。
權(quán)利要求
1、稻米參數(shù)自動測量裝置，包括光電開關(guān)(1)、可控升降板(2)、單株脫粒儀(3)、控制按鈕(4)、射線源鉛盒(5)、x射線源(6)、x射線探測器(7)、手動平移臺(8)、皮帶(9)、毛刷(10)、鉛箱(11)、x射線源控制器(12)、計算機(13)、皮帶控制器(14)，其特征在于光電開關(guān)(1)分別與可控升降板(2)和計算機(13)相連，且光電開關(guān)(1)和可控升降板(2)位于單株脫粒儀(3)入口處，控制按鈕(4)分別與可控升降板(2)及計算機(13)相連，X射線源(6)放置在鉛盒(5)中，鉛盒(5)置于皮帶(9)上側(cè)，鉛盒朝向探測器一面的中部開有一圓形孔，X射線探測器(7)位于皮帶(9)內(nèi)側(cè)，X射線探測器(7)通過螺釘固定在手動平移臺(8)上，通過手動平移臺(8)調(diào)節(jié)X射線探測器(7)的水平位置使得X射線源(6)和X射線探測器(7)位于同一垂直平面上，X射線源(6)與X射線源控制器(12)相連，X射線探測器(7)通過USB接口與與計算機(13)連接，射線源鉛盒(5)、X射線源(6)、X射線探測器(7)、手動平移臺(8)、皮帶(9)及毛刷(10)都包在鉛箱(11)內(nèi)部，皮帶(9)與皮帶控制器(14)相連，毛刷(10)位于皮帶(9)下部外側(cè)。
2、 稻米參數(shù)自動測量方法，按以下步驟進行(1)打開X射線源控制器、單抹脫 粒儀和計算機，操作人員先按下控制按鈕，控制按鈕發(fā)出信號給計算機，通知計算機開 始新的一穗的測量，把稻穗放到單抹脫粒儀入口處，光電開關(guān)4全測到人手后，發(fā)出信號 給計算機，當(dāng)且僅當(dāng)計算機接收到了控制按鈕和光電開關(guān)兩個信號后，計算機才控制可 控升降板上升，暴露出打谷口，允許單林脫粒儀開始打谷，同時計算機開始延時，谷粒 由單抹脫粒儀出口通過直槽式接口落到皮帶上，由運轉(zhuǎn)的皮帶分離谷粒，延時ls后， 計算機開始啟動X射線探測器拍攝谷粒的圖像數(shù)據(jù)，完成脫粒工作后，操作人員將脫粒 后的稻穂取出，光電開關(guān)檢測到人手的離開，發(fā)出信號給計算機，計算機控制可控升降 板下降，計算機開始延時，延時4s后計算機停止數(shù)據(jù)采集；(2)計算機經(jīng)過數(shù)字圖像處 理及分析后得到稻米的參數(shù)包括粒數(shù)、粒長、粒寬、粒面積。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的稻米參數(shù)自動測量方法，其特征在于所述的數(shù)字圖像 處理及分析包括以下幾個步驟(1)中值濾波對拍攝的圖像進行中值濾波濾除圖像的 噪聲；(2)將去噪后的圖像閾值二值化；(3)將二值化后的圖像進行去除小粒子的操作， 去掉二值化圖像中的背景噪聲；(4)去噪后的圖像進行開操作，去掉微弱邊緣，然后進 行填充操作，填補米粒中間的孔洞；(5)對處理后的圖像進行距離變換得到圖像的距離 函數(shù)；(6)對距離圖像進行灰度重建，去掉圖像中的區(qū)域極大值；(7)對重建后的圖像進 行分水嶺分割；(8)對分割后的圖像單個粒子區(qū)域進行橢圓擬合，得到各谷粒的粒長、 粒寬，并通過數(shù)區(qū)域內(nèi)的像素個數(shù)得出粒面積；(9)分水嶺分割后可能還存在未分割的 粘連籽粒，通過面積判斷的方法將這些籽粒進行平均化處理；面積閾值的選取方法是求 (8)中得到的所有粒面積的平均值的倍數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種稻米參數(shù)自動測量裝置及方法，本裝置由預(yù)設(shè)的計算機控制，采用單株脫粒儀將稻穗脫粒，谷粒由單株脫粒儀通過直槽式接口落到皮帶上，由運轉(zhuǎn)的皮帶分離谷粒；由X-ray成像系統(tǒng)拍攝X射線透射圖，由計算機將所得圖像進行處理，得到稻米的各項參數(shù)。本發(fā)明利用X射線成像的方法，用數(shù)字圖像處理技術(shù)處理拍攝到的圖像，得到稻米的各項參數(shù)，無需對脫粒后的谷粒進行去殼處理，且將脫粒、參數(shù)提取集成到一個系統(tǒng)中，具有安全無損、測量結(jié)果準(zhǔn)確可靠，操作簡單等優(yōu)點。
文檔編號G01N23/00GK101339117SQ200810048740
公開日2009年1月7日 申請日期2008年8月8日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月8日
發(fā)明者謙 劉, 段凌鳳, 昆 畢, 駱清銘 申請人:華中科技大學(xué)