专利名称：植物分蘖数自动测量装置及方法
技术领域：
本发明属于数字图像处理技术，具体涉及一种植物分蘖数自动测量装 置及方法，该装置能够自动识别植物的分蘖数，适用于数字化农业领域。
背景技术：
数字图像处理与模式识别技术在几十年内得到迅速发展并在工业自动 化、智能交通、卫星遥感、军事侦察、生物医学等应用领域中得到广泛的 应用。利用数字图像处理技术进行植物参数的自动提取是一种非常有前途 的技术，尤其在数字化农业日益推广的今天。计算机视觉技术已经开始得 到植物学等基础学科研究人员的关注，国外出现了 一些成熟的产品，国内基 本上还处在实验室阶段，而且从事的人员也很有限。
发明内容
本发明的目的在于提供一种植物分蘖数自动测量装置及方法，该装置 能够自动识别植物的分蘖数。
本发明提供的植物分蘖数自动测量装置，包括皮带l、调速电机2、气 泵3、气动装置4、 X射线源5、 x射线探测器8、铅盒6、电动旋转台7、 旋转台控制器9、计算机10、图像采集卡11,架设的皮带1与调速电机2 相连，气泵3位于皮带外部并与皮带内侧边缘的气动装置4相连，在气动 装置4旁的皮带中部装配一个电动旋转台7，电动旋转台7与旋转台控制器 9相连，旋转台控制器9又通过串口与计算机10相连，X射线源5放置在 铅盒6中，铅盒6置于皮带内侧，铅盒朝向探测器一面的中部开有一圓形 孔，X射线探测器8位于皮带1外侧，且X射线源5、电动旋转台7及X 射线探测器8中心在同一条直线上，X射线源5和X射线探测器8位于同 一水平线上，X射线探测器8通过数据接口与图像釆集卡11相连，图像采 集卡11则通过PCI插槽与计算机10连接。
植物分蘖数自动测量方法，按以下步骤进行(l)将盆装植物放入皮带 上输送至电动旋转台时，由气泵带动气动装置将水稻推上电动旋转台，计 算机控制旋转台旋转，由扇束X射线源所发出的X射线透射过旋转台上面 的样品被线阵X射线探测器8所探测，再由数字传输线通过图像采集卡传 送入计算机；(2)计算机经过断层重建算法和分蘖提取算法后即可求得分蘖 数。
断层重建算法采用巻积滤波反投影法，将投影正弦图直接在空域中进
行修正，即将投影正弦图与一个事先设计好的巻积函数进行巻积运算，然 后将巻积结果作反^L影。断层重建算法采用巻积滤波反-投影法为现有方法。
分蘖提取算法按以下步骤进行(1)、中值滤波对重建出的图像进行 中值滤波去除噪声；(2)、最大熵自动阈值二值化将中值滤波后的图像转 化为二值化图；(3)、腐蚀将粘连在一起的分蘖分开；(4)、填充将分 蘖内的小孔填充起来；(5)、去除小区域设定面积阈值，去掉区域面积在 阈值以下的小区域；(6)、区域计数对经过上述处理后的图像，进行连通 区域的计数，最终得到分蘖数。
本发明由预设的电脑程序控制，采用流水线，将待提取参数的样品送 上电动旋转台，由X-ray成像系统拍摄投影正弦图像，由计算机将所得图 像进行断层重建，从重建结果计算得到植物的分蘖数。
本发明利用X射线断层成像的方法，从重建出的图像中提取出分蘖数， 具有安全无损、测量结果准确可靠等优点。
图1为本发明植物参数自动提取装置的结构示意图； 图2为分蘖提取程序流程框图； 图3为盆栽分析结果图； 图4为压紧分析结果图； 图5为分析结果细节图。
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。
如图1所示，本发明的装置包括皮带l、调速电机2、气泵3、气动装 置4、扇束X射线源5、线阵x射线探测器8、铅盒6、电动旋转台7、旋转 台控制器9、计算机IO、图像采集卡ll，架设的皮带1与调速电机2相连， 气泵3位于皮带外部并与皮带内侧边缘的气动装置4相连，在气动装置4 旁的皮带中部装配一个电动旋转台7，电动旋转台7与旋转台控制器9相连， 旋转台控制器9又通过串口与计算机10相连，扇束X射线源5放置在铅盒 6中，铅盒6置于皮带内侧，铅盒朝向探测器一面的中部开有一圆形孔，线 阵X射线探测器8位于皮带1外侧，且扇束X射线源5、电动旋转台7及线 阵X射线探测器8中心在同一条直线上，扇束X射线源5和线阵X射线探 测器8位于同一水平线上，线阵X射线探测器8通过数据接口与图像采集 卡11相连，图像采集卡11则通过PCI插槽与计算机10连接。
其中，包括皮带l、调速电机2、气泵3、气动装置4构成流水线系统， 扇束X射线源5和线阵x射线探测器8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。
盆装水稻通过流水线系统运输。当水稻被运输到达皮带中部的电动旋
转台7时，由气泵3带动气动装置4将水稻推上电动旋转台7。随后计算机 控制旋转台旋转，X射线成像系统进行拍摄。拍摄完毕后，气泵带动气动装 置将水稻由旋转台重新放回皮带运走。由扇束X射线源5所发出的X射线 聚集在虚线所包括的区域内，透射过旋转台7上面的样品被线阵X射线探 测器8所探测，再由数字传输线通过图像采集卡11传送入计算机10，计算 机经过断层重建及分蘖提取算法后即可求得分蘖数。目前市场上比较常用 的X射线源有扇形束X射线源和锥形束X射线源。扇形束射线源只是对某 一断面进行扫描，用于单个断层成像，而锥形束X射线主要用于三维成像 系统中。本装置的功能在于提取分蘖数，只需对水稻进行二维断层重建， 选用扇束光系统即可满足要求。因此，本装置选用扇束光源和线阵探测器。 相对于锥束光源，扇束光源的剂量较小，更为安全；而线阵探测器更是比 面阵列探测器的价格便宜得多。
测量采用扇束光系统， 一次采集一个方向上的投影。对扫描所得的二 维投影图像又称为投影正弦图进行CT断层重建。CT断层重建算法采用巻积 滤波反投影法，并在扇形束X射线探测器等距情况下实现算法。
经过CT重建出来的断层图像，需要经过图像处理的方法，将分蘖从图 像中正确的分割出来以方便计数。分蘖提取算法的主要技术路线为中值 滤波、最大熵自动阈值二值化、腐蚀、填充、去除小区域、区域计数等操 作。这些操作属于基本的图像处理内容，因此在算法上，并不对其做详细 的介绍，只是说明这几种4喿作在这里的作用。
分蘖提取算法按以下步骤进行(1)、中值滤波。断层重建的过程中，
因为重建算法或者实验条件本身的限制，重建出的图像(灰度图)往往含有 噪声，所以先经过中值滤波去除噪声；
(2) 、最大熵自动阈值二值化。该操作用于图像分割，将灰度图转化 为二值化图。这里二值化的阈值是基于灰度直方图计算得到的；
(3) 、腐蚀。腐蚀操作主要是基于以下的考虑如果分蘖太密，以至于 蘖与蘖之间距离很近。此时，加上该操作，可以将粘连在一起的分蘖在一
定程度上分开；
(4) 、填充。在图像分割的时候，可能会有一些孔洞。水稻分蘖在干枯 的时候，分蘖的断面中间也可能会有小孔。使用该操作可以将小孔填充起 来，方便后续的操作；
(5) 、去除小区域。经过上述一系列操作后，可能还是有一些小点没有 去除，直接计数会造成结果错误。由于这些小区域的面积一般远远小于分 蘖，设定面积阈值，去掉区域面积在阈值以下的小区域，以保证计数的都
是分蘖；
(6)、区域计数。对经过上述处理后的图像，进行连通区域的计数，最 终得到分蘖数。
实例 实验生物材料
试验1为处于拔节期的籼稻，抹高92. 1 ± 0. 3cm，试验时将水稻从田中 移栽至盆中。
试验2为处于分蘖期的釉稻，为了测试该方法在极限条件下的可行性， 将其做成标本。该标本经过了压实和紧固处理如图1所示，使得分蘖之间 间隙非常少，紧密相邻，用来才莫拟分蘖非常多、密的情况。在这种情况下， 采用人工的方法也很难分辨。
图3为盆栽自然状态下的样本所得结果，图中可以看到边界明确的分 蘖截面图。图4所用的是经压紧处理的标本的结果图。图5为分析结果分 辨细节图。
权利要求
1、植物分蘖数自动测量装置，包括包括皮带(1)、调速电机(2)、气泵(3)、气动装置(4)、X射线源(5)、x射线探测器(8)、铅盒(6)、电动旋转台(7)、旋转台控制器(9)、计算机(10)、图像采集卡(11)，架设的皮带(1)与调速电机(2)相连，气泵(3)位于皮带外部并与皮带内侧边缘的气动装置(4)相连，在气动装置(4)旁的皮带中部装配一个电动旋转台(7)，电动旋转台(7)与旋转台控制器(9)相连，旋转台控制器(9)又通过串口与计算机(10)相连，X射线源(5)放置在铅盒(6)中，铅盒(6)置于皮带内侧，铅盒朝向探测器一面的中部开有一圆形孔，X射线探测器(8)位于皮带(1)外侧，且X射线源(5)、电动旋转台(7)及X射线探测器(8)中心在同一条直线上，X射线源(5)和X射线探测器(8)位于同一水平线上，X射线探测器(8)通过数据接口与图像采集卡(11)相连，图像采集卡(11)则通过PCI插槽与计算机(10)连接。
2、 植物分蘖数自动测量方法，按以下步骤进行(l)将盆装植物放入 皮带上输送至电动旋转台时，由气泵带动气动装置将水稻推上电动旋转台， 计算机控制旋转台旋转，由扇束X射线源所发出的X射线透射过旋转台上 面的样品被线阵X射线探测器所探测，再由数字传输线通过图像采集卡传 送入计算机；(2)计算机经过断层重建算法和分蘖提取算法后即可求得分蘖 数。
3、 根据权利要求2所述的植物分蘖数自动测量方法，其特征在于分 蘖提取算法按以下步骤进行(1)、中值滤波将重建出的图像数据经过中 值滤波去除噪声；(2)、最大熵自动阈值二值化将中值滤波后的图像数据 转化为二值化图；(3)、腐蚀将粘连在一起的分蘖分开；(4)、填充将 出现的小孔填充起来；(5)、去除小区域设定面积阈值，去掉区域面积在 阈值以下的小区域；(6)、区域计数对经过上述处理后的图像数据，进行 连通区域的计数，最终得到分蘖数。
全文摘要
本发明涉及植物分蘖数自动测量装置及测量方法，本装置包括流水线系统、X射线成像系统、电动旋转台、旋转台控制器、计算机、图像采集卡，电动旋转台依次与旋转台控制器和计算机相连，X射线成像系统依次与图像采集卡和计算机相连，本发明由计算机控制，采用流水线系统，将待提取参数的样品送上电动旋转台，由X射线成像系统拍摄投影正弦图像，由计算机将所得图像进行断层重建，从重建结果计算得到植物的分蘖数。本发明利用X射线断层成像的方法，从重建出的图像中提取出分蘖数，具有安全无损、测量结果准确可靠等优点。
文档编号G01N33/00GK101349655SQ20081004844
公开日2009年1月21日 申请日期2008年7月18日 优先权日2008年7月18日
发明者谦 刘, 曾绍群, 段凌凤, 昆 毕, 骆清铭 申请人:华中科技大学