专利名称：高光谱反射图像采集系统及基于该系统的玉米种子纯度无损检测方法
技术领域：
本发明涉及高光谱反射图像技术与种子纯度检测技术，具体地，涉及高光谱反射图像采集系统及基于该系统的玉米种子纯度无损检测方法。
背景技术：
国以农为本，农以种为先。种子是农业生产中最基本的生产资料，是一切。近些年，由于玉米杂交技术的不断推进，我国玉米种子的品种不断的增加，导致各品种的纯度在一定程度上有所下降。随着人们生活水平的不断提高，消费者在选购玉米时对于不同品种 的玉米口感度会有较大差异，因此，提高玉米种子的纯度是解决这一问题的根本途径。针对这一问题，诸多研究人员致力于玉米种子的检测和识别的研究。目前，基于机器视觉的玉米种子检测技术得到了广泛的应用，但是传统的可见光机器视觉技术是基于可见光光源，随着种子品种数目的增多，种子几何特征、外表颜色特征和质地特征的交叠现象就越严重，导致特征的可区分性变差，从而影响到种子检测的准确性。高光谱反射图像既包含了可见光区域，同时又包含近红外区域，高光谱图像中，每个波段下图像所显示的灰度值都不同，所包含的玉米种子有效特征信息相比传统的机器视觉更加的充分，但是，在噪声较大的波段，对于传统的直方图阈值分割法，无法对玉米种子轮廓进行有效分割，只能分割其中的少数波段，因此，不能充分利用高光谱反射图像数据量大、波段数目多的特点。在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在对噪声较大波段参数提取困难、准确性差与可靠性低等缺陷。
发明内容
本发明的目的在于，针对上述问题，提出基于高光谱反射图像采集系统的玉米种子纯度无损检测方法，以实现操作简单、抗噪性好、准确性好、可靠性高与实时性好的优点。本发明的第二目的在于，提出高光谱反射图像采集系统。为实现上述目的，本发明采用的技术方案是基于高光谱反射图像采集系统的玉米种子纯度无损检测方法，包括
a、将玉米种子样本，放置在高光谱反射图像采集系统中，采集并获取相应玉米种子样本在M个波段下的M个高光谱反射图像；在所得M个高光谱反射图像中，提取每个波段的图像作为相应高光谱反射图像的子图像，M为自然数；
b、在每个波段下，利用图像分割方法对步骤a所得相应子图像进行轮廓提取，得到玉米种子轮廓图像；
基于所得玉米种子轮廓图像，提取至少包含面积、周长、长轴、短轴、离心率、当量直径、长宽比、圆形度、矩形度、内切圆半径、离散度与紧凑度的12个形状特征参数；将所得M个波段下的12M个形状特征参数，作为判断相应玉米种子样本所属类别的特征参数；
C、将步骤b所得12M个形状特征参数，输入预先建立的检测模型进行检测处理，获取相应玉米种子样本所属纯度类别的检测结果。2.根据权利要求I所述的基于高光谱反射图像采集系统的玉米种子纯度无损检测方法，其特征在于，在步骤b中，所述利用图像分割方法对步骤a所得相应子图像进行轮廓提取的操作具体包括
利用步骤a所得相应子图像，基于区域主动轮廓模型、结合水平集的方法，提取多目标条件下的玉米种子轮廓图像；该模型的能量泛函形式为
E(C,CllC2) = /i￡(C) + V^(C)+ I1 ^djafy+ Z2 ^\ -c7\7dxdy⑴
其中，C1是目标区域在灰度值，C2是背景区域的灰度值，每次轮廓曲线演化时，C1和￡2都要重新估计，参数為、馬均为正的权重系数,其；
在轮廓曲线演化过程中，假设初始水平集函数Λ是根据初始曲线C0(U)构造的内正外负的符号距离函数，长度项·D和面积项各(C)分别表示成
权利要求
1.基于高光谱反射图像采集系统的玉米种子纯度无损检测方法，其特征在于，包括a、将玉米种子样本，放置在高光谱反射图像采集系统中，采集并获取相应玉米种子样本在M个波段下的M个高光谱反射图像；在所得M个高光谱反射图像中，提取每个波段的图像作为相应高光谱反射图像的子图像，M为自然数；b、在每个波段下，利用图像分割方法对步骤a所得相应子图像进行轮廓提取，得到玉米种子轮廓图像；基于所得玉米种子轮廓图像，提取至少包含面积、周长、长轴、短轴、离心率、当量直径、长宽比、圆形度、矩形度、内切圆半径、离散度与紧凑度的12个形状特征参数；将所得M个波段下的12M个形状特征参数，作为判断相应玉米种子样本所属类别的特征参数；C、将步骤b所得12M个形状特征参数，输入预先建立的检测模型进行检测处理，获取相应玉米种子样本所属纯度类别的检测结果。
2.根据权利要求I所述的基于高光谱反射图像采集系统的玉米种子纯度无损检测方法，其特征在于，在步骤b中，所述利用图像分割方法对步骤a所得相应子图像进行轮廓提取的操作具体包括利用步骤a所得相应子图像，基于区域主动轮廓模型、结合水平集的方法，提取多目标条件下的玉米种子轮廓图像；该模型的能量泛函形式为
3.根据权利要求2所述的基于高光谱反射图像采集系统的玉米种子纯度无损检测方法，其特征在于，在步骤b中，获取所述最终的分割结果的算法的主要步骤，包括初始化参数Λ ^ μ V,构建演化的初始演化轮廓曲线’得到零水平集函数Jr=W ；离散化各变.Cl^y C2(F)的值和当前演化曲线的曲率*(#)；通过迭代，求取水平集函数#***的值；演化曲线达到迭代次数，停止迭代，输出最终的目标轮廓，显示分割图像；通过区域主动轮廓模型结合水平集的方法，确定M个波段图像中玉米种子图像轮廓，从而提取出M个波段下共12M个形状特征参数，作为判断相应玉米种子样本所属类别的特征参数。
4.根据权利要求I所述的基于高光谱反射图像采集系统的玉米种子纯度无损检测方法，其特征在于，在步骤c中，所述预先建立的检测模型具体包括利用偏最小二乘判别分析法，作为构建检测模型的工具，构建不同品种的玉米种子样本的检测模型。
5.根据权利要求4所述的基于高光谱反射图像采集系统的玉米种子纯度无损检测方法，其特征在于，在步骤c中，所述获取相应玉米种子样本所属纯度类别的检测结果的操作，即利用不同品种的玉米种子样本的检测模型进行判别的过程，具体包括基于所述不同品种的玉米种子样本的检测模型，建立样本的分类标签，并将样本划分为两组，其中一组为训练集，另一组为测试集；建立训练集样本中分类标签与形状特征参数的PLS回归模型；根据训练集建立的模型，计算测试集的分类变量的值Y，如果Y=类别标签，则判定样本属于该类，否则不属于该类；最后统计该类别的正确分类率。
6.根据权利要求I所述的基于高光谱反射图像采集系统的玉米种子纯度无损检测方法，其特征在于，步骤a中的高光谱反射图像采集系统，包括电源、石英卤素钨灯、光纤、采光室、CXD控制器、CXD数字照相机、光谱仪、聚焦透镜与反射光源架构，其中所述CXD控制器、CXD数字照相机、光谱仪、聚焦透镜与反射光源架构，均设置在采光室内部；所述CCD控制器、CCD数字照相机、光谱仪与聚焦透镜依次配合连接，且位于反射光源架构的上方；所述聚焦透镜设置在光谱仪的前端，光谱仪设置在CCD照相机上，CCD数字照相机的输出端与CCD控制器相连，CCD控制器的输出端与计算机相连，用于向计算机输出采集所得高光谱反射图像；所述石英卤素钨灯的电源端与电源相连，并通过光纤连接至反射光源架构，形成线光源；所述线光源照射在待测对象上，通过光谱仪与CCD数字照相机，采集待测对象的高光谱反射图像。
7.根据权利要求6所述的基于高光谱反射图像采集系统的玉米种子纯度无损检测方法，其特征在于，在步骤a中，利用高光谱反射图像采集系统采集并获取相应玉米种子样本在M个波段下的M个高光谱反射图像的操作，具体包括Si、将CXD数字照相机、光谱仪及反射光源架构，放置在采光室内；s2、在采光室内盖上光谱仪前端的聚焦透镜镜头盖，采集第Jt个波段下全黑标定图像及图像光强值馬，=；S3、在采光室内获取第t个波段下标准白板标定图像光强值,Jt = X2，M ；s4、将相应玉米种子样本全部反面朝上(无胚面)，按照固定次序放置在黑色载物板上，且位于CCD数字照相机、光谱仪及聚焦透镜的下方；相应玉米种子样本在第fc个波段下连续采集IOcm长的样本图像、以及样本图像光强值Z1,*:-1.2,- -,M ；s5、利用标准白板标定图像的光强值，计算每幅图像的在第Jt个波段下高光谱反射图像的相对光强值及=,M ；其中，it为第个波段下每个玉米种子高光谱反射图像的相对光强值；厶为第fc个波段下每个玉米种子高光谱反射图像的光强值，!ζ为第个波段下标准白板高光谱反射图像的光强值，祝为第I:个波段下采集的全黑标定图像光强值；s6、利用图像分割方法对步骤a所得相应子图像进行轮廓提取，然后对得到的玉米种子轮廓提取出面积、周长、长轴、短轴、离心率、当量直径、长宽比、圆形度、矩形度、内切圆半径、离散度、紧凑度共12个形状特征参数；将所得M个波段下共12M个形状特征参数，作为判断相应玉米种子样本所属类别的特征参数。
8.根据权利要求7所述的基于高光谱反射图像采集系统的玉米种子纯度无损检测方法，其特征在于，所述CCD数字照相机和光谱仪覆盖的波长为40(Tl000nm ;所述黑色载物板为长方形，黑色载物板的长度大于线性光源的长度。
9.高光谱反射图像采集系统，其特征在于，包括电源、石英卤素钨灯、光纤、采光室、CCD控制器、CCD数字照相机、光谱仪、聚焦透镜与反射光源架构，其中所述CXD控制器、CXD数字照相机、光谱仪、聚焦透镜与反射光源架构，均设置在采光室内部；所述CCD控制器、CCD数字照相机、光谱仪与聚焦透镜依次配合连接，且位于反射光源架构的上方；所述聚焦透镜设置在光谱仪的前端，光谱仪设置在CCD照相机上，CCD数字照相机的输出端与CCD控制器相连，CCD控制器的输出端与计算机相连，用于向计算机输出采集所得高光谱反射图像；所述石英卤素钨灯的电源端与电源相连，并通过光纤连接至反射光源架构，形成线光源；所述线光源照射在待测对象上，通过光谱仪与CCD数字照相机，采集待测对象的高光谱反射图像。
10.根据权利要求9所述的高光谱反射图像采集系统，其特征在于，所述反射光源架构，包括线性光源与电动平台；所述线性光源与电动平台，配合设置在CCD控制器、CCD数字 照相机、光谱仪与聚焦透镜的下方。
全文摘要
本发明公开了高光谱反射图像采集系统及基于该系统的玉米种子纯度无损检测方法，包括基于采集所得玉米种子样本在M个波段下的M个高光谱反射图像，提取每个波段的图像作为相应高光谱反射图像的子图像；利用图像分割方法，提取相应玉米种子轮廓图像与M个波段下的12M个形状特征参数，作为判断相应玉米种子样本所属类别的特征参数，输入预先建立的检测模型进行检测处理，获取相应玉米种子样本所属纯度类别的检测结果。本发明所述高光谱反射图像采集系统及基于该系统的玉米种子纯度无损检测方法，可以克服现有技术中对噪声较大波段参数提取困难、准确性差与可靠性低等缺陷，以实现操作简单、抗噪性好、准确性好、可靠性高与实时性好的优点。
文档编号G01N21/01GK102621077SQ20121009017
公开日2012年8月1日 申请日期2012年3月30日 优先权日2012年3月30日
发明者朱启兵, 朱晓, 黄敏 申请人:江南大学