玉米育种激光自动切片的视觉定位方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于农业辅助生产自动化技术领域，尤其涉及一种定位精度要求较高的自 动切片、分拣玉米种子的视觉定位方法。
【背景技术】
[0002] 现代育种常采用分子标记辅助育种，需要从每一粒种子的顶部切取胚乳少许，作 为样品进行基因检测筛选，将含有完整胚芽的种子保留用于玉米种植。目前，国内缺少成功 应用激光刀切取玉米薄片辅助育种的自动化生产线，实际生产多采用人工切片。
[0003] 种子在脱粒后通常处于杂乱无序的颗粒群状态，这就需要研究将单粒种子从颗粒 群中快速分离并能够按照一致的姿态有序地排列，即定向的方法和装置。种子形状不规则、 尺寸个体差异大，物理特性不一致，由此导致与接触面摩擦力等参数也有较大差异，种子本 身质量又非常小，易于受到外界振动、气流等因素的影响，要在这样的条件下实现种子的准 确定向，是研制种子分离、定向装置的一个难点。
[0004] 由于激光的高温作用，使玉米粒在被切割时，有瞬间爆炸的效应，对待切割籽粒产 生一定的冲击力，因此，机械手必须能够适度握紧玉米粒。激光切割玉米粒的大端，由于切 削的位置距离大端顶部很近（2mm左右)，激光光头的定位，必须适应不同尺寸的玉米粒，因 此，适应不同玉米粒的精确定位方法和定向误差的控制是必不可少的。
[0005] 使用机械传送设备和卡槽装置可以使玉米种子单颗分开放置，并能够按某些特定 方向进入切割用托盘，但是托盘运送过来的种子位置和姿态都较为粗略，并且玉米粒尺寸 的不同也会使玉米粒的位置和姿态产生偏差。要实现玉米激光切片的精确操作，还必须经 过精确定位。本发明采用视觉精确定位方法，使机械手针对不同形状、尺寸的玉米粒位姿可 以精确定位。
[0006] 玉米粒的尖端部分是它显著的特征，找到玉米的尖端有助于迅速进行玉米粒的定 位。从20世纪70年代至今，许多学者对图像的角点检测进行了大量的研究，这些方法主要 分为两类：基于图像边缘的检测方法和基于图像灰度的检测方法。前者往往需要对图像边 缘进行编码，这在很大程度上依赖于图像的分割和边缘提取，具有较大的计算量，且一旦待 检测目标局部发生变化，很可能导致操作失败。早期主要有Rosenfeld和Freeman等人的 方法，后期有CCS等方法。Asif Masood在2007年的论文里，使用一组矩形在图像边缘滑 动，统计矩形窗口内的轮廓上像素的个数，以找到角点。基于图像灰度的方法通过计算点的 曲率及梯度来检测角点，避免了第一类方法的缺陷，是目前研究的重点。此类方法主要有 Moravec算子、Harris算子、SUSAN算子等。但第二类方法在求取角点的曲率及梯度时，会 耗费大量的计算工作量，对于单粒玉米种子，用这类求角点方法，往往会得到很多不必要的 角点。有些研究者通过调整算法的设定参数，可以得到玉米种子尖端点，但上述算法仍然较 为繁琐，运算时间相对较长，不适应生产自动化实时性的需要。
【发明内容】
[0007] 本发明的主要目的是，为玉米种子激光切片的快速自动化定位提供视觉确定性的 方法。
[0008] 针对现有技术的不足，结合玉米种子本身形状特点以及定位自动化的需要，主要 通过计算面积、形心等物理量进行图像的目标特征检测及其定位。
[0009] 玉米尖端比大端部分细小很多，特征显著，饱满的玉米种子大端部分的外轮廓是 凸曲线，而在尖端部分与大端连接的曲线，存在一小段轮廓线是凹曲线，玉米种子外轮廓曲 线形状是近似轴对称的，如图1所示。利用上述这些特点，本发明通过测量面积来检测玉米 种子的尖端位置。定义正方形或者圆形掩模模板，通过遍历玉米种子面积内的所有像素点， 来找到面积最小的掩模中心所在位置，即为玉米尖端顶点位置。再找到玉米粒的形心位置， 连接尖端顶点和形心的连线，从而确定机械手夹持玉米粒的法线方向和坐标原点，本发明 为玉米粒切片机器人提供一种快速自动定位方法。
[0010] 采用的技术方案是： 玉米育种激光自动切片的视觉定位方法，其特征在于包括以下步骤： 步骤1.采集单粒玉米种子图像进行预处理，将RGB图像转变为灰度图像，计算灰度分 割阈值，将灰度图像变换为二值图像，分割为目标区域和背景区域。
[0011] 步骤2.计算目标区域面积，
【主权项】
1.玉米育种激光自动切片的视觉定位方法，其特征在于包括以下步骤： 步骤（1)、采集单粒玉米种子图像进行预处理，将RGB图像转变为灰度图像，计算灰度 分割阈值，将灰度图像变换为二值图像，分割为目标区域和背景区域； 步骤⑵、计算目标区域面积，= 其中，f (x，y)为像素灰度值，（x，y) (I加 为图像像素坐标，s为目标区域像素集合；设定正方形掩模尺寸为（2? + l)x(2? + l),其中 ? = 1酬^乂々^)，其取值为自然数，(1为调整系数且^€(0,0.5),丨拉（）是取整函数； 步骤（3)、扩大图像的背景区域像素，以防止掩模面积覆盖不到图像内所有像素； 步骤（4)、使掩模中心与待检测目标像素点重合，用掩模覆盖图像目标区域内像素，计 算掩模内覆盖目标区域面积大小； 步骤（5)、遍历图像目标区域内的所有像素，重复步骤4;
步骤（6)、找到掩模覆盖面积最小的所对应的像素点位置，即为玉米粒的尖端顶点位 置；以该顶点位置作为玉米粒定位的坐标原点； 步骤（7 )、计算目标区域面积内的形心位置坐标 步骤（8)、连接目标顶点与形心位置的连线，即为机械手夹持玉米粒的法线方向； 步骤（9)、沿着法线方向与目标区域边缘交点，计算交点所在位置，就是机械手夹持玉 米粒大端的位置。
【专利摘要】玉米育种激光自动切片的视觉定位方法，主要包括以下几个过程：1、图像的预处理和图像分割。2、玉米粒的尖端顶点检测。3、确定玉米粒形心位置。4、计算玉米粒夹持的法线方向。5、计算玉米粒大端的夹持位置。本发明与现有技术相比，其显著特点是：依据较简单、直观的计算原理，花费较低的计算量，快速地定位玉米尖端顶点，再利用形心坐标连线，进而确定机械手夹持玉米粒的法线方向、大端位置等，运算结果可以精确到亚像素级别。
【IPC分类】G01B11-00, G06T7-60
【公开号】CN104658015
【申请号】CN201510029332
【发明人】魏英姿, 谷侃锋, 王玲, 崔旭晶, 谭龙田, 赵明扬
【申请人】沈阳理工大学
【公开日】2015年5月27日
【申请日】2015年1月21日