专利名称：稻米参数自动测量装置及方法
技术领域：
本发明属于机器视觉检测技术，具体涉及一种稻米参数自动测量装置 及方法。该装置够自动测量一穗水稻上米粒的参数包括粒数、粒长、粒宽、 粒面积等，适用于数字化农业领域。
背景技术：
水稻是我国主要粮食作物之一，在水稻品种试验、示范、推广以及高 产栽培试验中。都需要对水稻品种进行考种调查，以确定其利用价值。多 数情况下，室内考种主要由科研人员进行人工测量。随着计算机技术的飞 速发展，机器视觉技术的研究和应用越来越广泛。与人工检测技术相比， 视觉检测技术具有速度快、精度高、重复性好等优点，在农产品品质检测 领域有着广阔的应用前景。由于粮食结构的原因，国外对稻米检测的研究 不多。中国农业大学凌云等人设计了一套动态谷物图像检测系统(文献出
处凌云，基于机器视觉的谷物外观品质检测技术研究，博士学位论文， 北京中国农业大学，2004 )。系统主要由计算机和图像采集系统构成， 计算机中内置图像采集卡，图像采集系统由CCD摄像机、光源系统、进料机 构、驱动机构和出料机构组成。进料机构由漏斗、数粒仪、进料导槽、限 位板和玻璃载物盘组成，使谷物能够单粒、顺序的下落到玻璃载物盘上， 以避免采集图像时出现大量的籽粒粘连现象，但这种单粒下落的方法处理 速度很慢。同时由于采用CCD拍照，只能处理脱壳后的稻米，而去壳过程中 很容易造成米粒的损伤。
发明内容
本发明的目的在于提供一种稻米参数自动测量装置及方法，该装置能 够自动测量一穗水稻上米粒的参数包括粒数、粒长、粒宽、粒面积等。
本发明提供的稻米参数自动测量装置，包括光电开关1、可控升降板2、 单株脱粒仪3、控制按钮4、射线源铅盒5、 X射线源6、 X射线探测器7、 手动平移台8、皮带9、毛刷10、铅箱11、 X射线源控制器12、计算机13、 皮带控制器14，光电开关1分别与可控升降板2和计算机13相连，且光电 开关1和可控升降板2位于单林脱粒仪3入口处，控制按钮4分别与可控
升降板2及计算机13相连，X射线源6放置在铅盒5中，铅盒5置于皮带 9上侧，铅盒朝向探测器一面的中部开有一圆形孔，X射线探测器7位于皮 带9内侧，X射线探测器7通过螺钉固定在手动平移台8上，通过手动平移 台调节X射线探测器7的水平位置使得X射线源6和X射线探测器7位于 同一垂直平面上，X射线源6与X射线源控制器12相连，X射线探测器7 通过USB接口与与计算机13连接，射线源铅盒5、 X射线源6、 X射线探测 器7、手动平移台8、皮带9及毛刷IO都包在铅箱11内部，皮带9与皮带 控制器14相连，毛刷10位于皮带9下部外侧。铅盒及铅箱都是用于安全 防护。
稻米参数自动测量方法，按以下步骤进行(1)打开X射线源控制器、 单抹脱粒仪和计算机，每进行一穗水稻的测量工作前，操作人员先按下控 制按钮，控制按钮发出信号给计算机，通知计算机开始新的一穗的测量。 把稻穗放到单林脱粒仪入口处，光电开关检测到人手后，发出信号给计算 机，当且仅当计算机接收到了控制按钮和光电开关两个信号后，计算机才 控制可控升降板上升，暴露出打谷口，允许单抹脱粒仪开始打谷。同时计 算机开始延时，谷粒由单抹脱粒仪出口通过直槽式接口落到皮带上，由运 转的皮带分离谷粒，延时ls后，计算机开始启动X射线探测器拍摄谷粒的 图像数据，完成脱粒工作后，操作人员将脱粒后的稻穗取出，光电开关检 测到人手的离开，发出信号给计算机，计算机控制可控升降板下降，计算 机开始延时，延时4s后计算机停止数据采集；(2)计算机经过数字图像处 理及分析后得到稻米的参数包括粒数、粒长、粒宽、粒面积。
数字图像处理及分析包括以下几个步骤(1)拍摄的图像中存在较大噪 声，本系统采用NL-means滤波法及中值滤波法滤除图像的噪声；(2)将去 噪后的图像阈值二值化，本系统采用聚类法；(3)将二值化后的图像进行去 除小粒子的操作，去掉二值化图像中的背景噪声；(4)去噪后的图像进行开 操作，去掉微弱边缘，然后进行填充操作，填补米粒中间的孔洞；(5)对处 理后的图像进行距离变换得到图像的距离函数；(6)对距离图像进行灰度重 建，去掉图像中的区域极大值，起到'削峰，的作用；(7)对重建后的图像 进行分水冷分割；(8)对分割后的图像单个粒子区域进行椭圆拟合，得到各 谷粒的粒长、粒宽，并通过数区域内的像素个数得出粒面积；(9)分水岭分 割后可能还存在未分割的粘连籽粒，通过面积判断的方法将这些籽粒进行 平均化处理；面积阈值的选取方法是求(8)中得到的所有粒面积的平均值的 倍数。本系统采用1. 5倍平均面积作为面积阈值。
NL-means又称为非局部均值化方法，该算法滤波后的值具有如下公式
1 (G。X化)-"(y+.)卩)(0)
这里G。是一个Gaussian核，其标准差为a, C(x)是归一化因子，/ 为滤波 参数。
(g。,o+.)—mO+,)12) (o) = Jj 2 g。0)|wO+0-"O+,)|2&.
该公式意味着W(x)是用"(力平均值的权重所代替。权重仅仅在包围少的高斯
窗口相似于包围x的高斯窗口是较大的。因此NL-means算法使用自相似性
来去掉噪声。这样可在滤除噪声的同时较好的保护边缘。
本发明由预设的电脑程序控制，采用单林脱粒仪将稻穗脱粒，谷粒由 单抹脱粒仪通过直槽式接口落到皮带上，由运转的皮带分离谷粒；由X-ray 成像系统拍摄X射线透射图，由计算机将所得图像进行处理，得到稻米的 各项参数。
本发明利用X射线成像的方法，用数字图像处理技术处理拍摄到的图 像，得到稻米的各项参数。无需对脱粒后的谷粒进行去壳处理，且将脱粒、 参数提取集成到一个系统中，具有安全无损、测量结果准确可靠，操作简 单等优点。
图1为本发明稻米参数自动测量装置的结构示意图； 图2为水稻样品结果图； 图3为样品粒面积直方图； 图4为样品粒长直方图； 图5为样品粒宽直方图。
具体实施例方式
下面结合附图和实例对发明作进一步详细的说明。
本发明提供的稻米参数自动测量装置，包括光电开关1、可控升降板2、 单抹脱粒仪3、控制按钮4、射线源铅盒5、 X射线源6、 X射线探测器7、 手动平移台8、皮带9、毛刷10、铅箱11、 X射线源控制器12、计算才几13、 皮带控制器14,光电开关1分别与可控升降板2和计算机13相连，且光电 开关1和可控升降板2位于单抹脱粒仪3入口处，控制按钮4分别与可控 升降板2及计算机13相连，X射线源6放置在铅盒5中，铅盒5置于皮带 9上侧，铅盒朝向探测器一面的中部开有一圓形孔，X射线探测器7位于皮 带9内侧，X射线探测器7通过螺钉固定在手动平移台8上，通过手动平移
台调节X射线探测器7的水平位置使得X射线源6和X射线探测器7位于 同一垂直平面上，X射线源6与X射线源控制器12相连，X射线探测器7 通过USB接口与与计算机13连接，射线源铅盒5、 X射线源6、 X射线探测 器7、手动平移台8、皮带9及毛刷IO都包在铅箱11内部，皮带9与皮带 控制器14相连，毛刷10位于皮带9下部外侧。铅盒及铅箱都是用于安全 防护。
其中，包括皮带9、毛刷IO、皮带控制器14构成流水线系统，为定做 的。皮带采用对射线衰减较小的薄皮带，皮带控制器带数码显示，可以精 确调节皮带速度并用于与X射线探测器速度的匹配。扇束X射线源6和线 阵X射线探测器7构成X射线成像系统，装置采用扇束X射线源，发出扇 形射线束，相对应的X射线探测器也采用线阵列，X射线成像系统采用线扫 描的方式成像，因此皮带的运转速度必须与X射线探测器的扫描速度完全 匹配上才能得到不失真的图像，速度匹配的实验方法是采用标准样品进行 拍摄，得到不变形的图像即说明速度完全匹配上了 。
稻米参数自动测量方法，按以下步骤进行(1)打开X射线源控制器、 单抹脱粒仪和计算机，每进行一穗水稻的测量工作前，操作人员先按下控 制按钮，控制按钮发出信号给计算机，通知计算机开始新的一穗的测量， 把稻穗放到单林脱粒仪入口处，光电开关检测到人手后，发出信号给计算 机，当且仅当计算机接收到了控制按钮和光电开关两个信号后，计算机才 控制可控升降板上升，暴露出打谷口，允许单抹脱粒仪开始打谷，同时计 算机开始延时，谷粒由单抹脱粒仪出口通过直槽式接口落到皮带上，由运 转的皮带分离谷粒，延时ls后，计算机开始启动X射线探测器拍摄谷粒的 图像数据，完成脱粒工作后，操作人员将脱粒后的稻穗取出，光电开关检 测到人手的离开，发出信号给计算机，计算机控制可控升降板下降，计算 机开始延时，延时4s后计算机停止数据采集；(2)计算机经过数字图像处 理及分析后得到稻米的参数包括粒数、粒长、粒宽、粒面积。
整个过程中流水线系统、单林脱粒仪、X射线源、X射线探测器都为连 续工作。
实例
实验标准材料l元硬币，其直径为25mm。
将一元的硬币置于皮带上进行扫描拍摄，得到其直径测量值为79个像 素；像素长、宽均为O. 4mm，即测量值为79*0. 4mm= 31. 6mm。 实际直径25mm
乂射线成像系统放大倍率=像宽/物宽=31. 6mm/25,=l. 3 实验生物材料成熟的水稻。将一穗成熟的水稻置于本发明的装置入
口处，按上述方法进行操作，最后得到该稻穗的粒数为172粒，米粒的平 均粒面积、平均粒长、平均粒宽分别为97.94、 17.94、 6.81 (以像素为单 位)，对应实际值分别为
实际平均粒面积=97. 94*0. 4*0, 4/(1. 3*1. 3) =9. 3隨2,
实际平均粒长=17. 94*0. 4/1. 3=5. 5mm,
实际平均粒宽=6. 81*0. 4/1. 3=2. lmm。
目前粒长、粒宽的手动测量方法是采用直尺法。手动测量粒长、粒宽 平均值分别为5. 8mm、 2. Omm,相对误差分别为5.17%、 5%。这个误差主要 是由于米粒的质量不一样，而用直尺测量只能测表面长度，米粒的饱满度 对其测量结果无影响，但是本方法还可反映米粒的饱满度。这也是本装置 的优势之一。粒面积暂时无简单的手动测量方法。
权利要求
1、稻米参数自动测量装置，包括光电开关(1)、可控升降板(2)、单株脱粒仪(3)、控制按钮(4)、射线源铅盒(5)、x射线源(6)、x射线探测器(7)、手动平移台(8)、皮带(9)、毛刷(10)、铅箱(11)、x射线源控制器(12)、计算机(13)、皮带控制器(14)，其特征在于光电开关(1)分别与可控升降板(2)和计算机(13)相连，且光电开关(1)和可控升降板(2)位于单株脱粒仪(3)入口处，控制按钮(4)分别与可控升降板(2)及计算机(13)相连，X射线源(6)放置在铅盒(5)中，铅盒(5)置于皮带(9)上侧，铅盒朝向探测器一面的中部开有一圆形孔，X射线探测器(7)位于皮带(9)内侧，X射线探测器(7)通过螺钉固定在手动平移台(8)上，通过手动平移台(8)调节X射线探测器(7)的水平位置使得X射线源(6)和X射线探测器(7)位于同一垂直平面上，X射线源(6)与X射线源控制器(12)相连，X射线探测器(7)通过USB接口与与计算机(13)连接，射线源铅盒(5)、X射线源(6)、X射线探测器(7)、手动平移台(8)、皮带(9)及毛刷(10)都包在铅箱(11)内部，皮带(9)与皮带控制器(14)相连，毛刷(10)位于皮带(9)下部外侧。
2、 稻米参数自动测量方法，按以下步骤进行(1)打开X射线源控制器、单抹脱 粒仪和计算机，操作人员先按下控制按钮，控制按钮发出信号给计算机，通知计算机开 始新的一穗的测量，把稻穗放到单抹脱粒仪入口处，光电开关4全测到人手后，发出信号 给计算机，当且仅当计算机接收到了控制按钮和光电开关两个信号后，计算机才控制可 控升降板上升，暴露出打谷口，允许单林脱粒仪开始打谷，同时计算机开始延时，谷粒 由单抹脱粒仪出口通过直槽式接口落到皮带上，由运转的皮带分离谷粒，延时ls后， 计算机开始启动X射线探测器拍摄谷粒的图像数据，完成脱粒工作后，操作人员将脱粒 后的稻穂取出，光电开关检测到人手的离开，发出信号给计算机，计算机控制可控升降 板下降，计算机开始延时，延时4s后计算机停止数据采集；(2)计算机经过数字图像处 理及分析后得到稻米的参数包括粒数、粒长、粒宽、粒面积。
3、 根据权利要求2所述的稻米参数自动测量方法，其特征在于所述的数字图像 处理及分析包括以下几个步骤(1)中值滤波对拍摄的图像进行中值滤波滤除图像的 噪声；(2)将去噪后的图像阈值二值化；(3)将二值化后的图像进行去除小粒子的操作， 去掉二值化图像中的背景噪声；(4)去噪后的图像进行开操作，去掉微弱边缘，然后进 行填充操作，填补米粒中间的孔洞；(5)对处理后的图像进行距离变换得到图像的距离 函数；(6)对距离图像进行灰度重建，去掉图像中的区域极大值；(7)对重建后的图像进 行分水岭分割；(8)对分割后的图像单个粒子区域进行椭圓拟合，得到各谷粒的粒长、 粒宽，并通过数区域内的像素个数得出粒面积；(9)分水岭分割后可能还存在未分割的 粘连籽粒，通过面积判断的方法将这些籽粒进行平均化处理；面积阈值的选取方法是求 (8)中得到的所有粒面积的平均值的倍数。
全文摘要
本发明涉及一种稻米参数自动测量装置及方法，本装置由预设的计算机控制，采用单株脱粒仪将稻穗脱粒，谷粒由单株脱粒仪通过直槽式接口落到皮带上，由运转的皮带分离谷粒；由X-ray成像系统拍摄X射线透射图，由计算机将所得图像进行处理，得到稻米的各项参数。本发明利用X射线成像的方法，用数字图像处理技术处理拍摄到的图像，得到稻米的各项参数，无需对脱粒后的谷粒进行去壳处理，且将脱粒、参数提取集成到一个系统中，具有安全无损、测量结果准确可靠，操作简单等优点。
文档编号G01N23/00GK101339117SQ200810048740
公开日2009年1月7日 申请日期2008年8月8日 优先权日2008年8月8日
发明者谦 刘, 段凌凤, 昆 毕, 骆清铭 申请人:华中科技大学