水稻種子純度檢測方法的研究

水稻種子純度檢測方法的研究

0基于機(jī)器視覺的水稻種子純度檢測中國是一個偉大的水稻生產(chǎn)國家。水稻高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效對確保人民生活，提高出口質(zhì)量非常重要。因此，優(yōu)良品種的培育和普及具有重要意義。純度作為水稻種子質(zhì)量的一個重要指標(biāo),直接影響到水稻的產(chǎn)量,所以純度檢測很有必要。目前,在優(yōu)質(zhì)稻種的推廣中,難免有一些不法分子添加其他劣質(zhì)水稻種子品種以獲取利潤,直接影響了水稻的產(chǎn)量和品質(zhì),損害了農(nóng)民的利益。因此,研制一種快速、無損和準(zhǔn)確判斷水稻種子純度的檢測裝置迫在眉睫。國外在大米品質(zhì)方面已經(jīng)有深入的研究,但對基于機(jī)器視覺的水稻種子純度檢測裝置研究尚不多。國內(nèi)江蘇大學(xué)黃星奕對水稻種子純度檢測作了初步研究,根據(jù)稻谷的顏色和形狀特征,通過貝葉斯決策方法建立識別分類器,對稻谷品種的識別率達(dá)88.3%以上;浙江大學(xué)成芳建立了水稻種子圖像品質(zhì)數(shù)據(jù)庫;江西農(nóng)業(yè)大學(xué)吳繼華等研制了基于機(jī)器視覺的水稻種子智能化檢測儀,但不能連續(xù)地采集和檢測水稻種子的外觀品質(zhì)?？傊?基于機(jī)器視覺的水稻種子純度在線檢測在國內(nèi)還停留在探索階段,尚需進(jìn)一步深入的研究。本文對水稻種子實時采集和處理進(jìn)行了探索,研制了基于機(jī)器視覺的水稻種子純度在線檢測裝置。1落料機(jī)構(gòu)設(shè)計水稻種子純度檢測裝置由落料機(jī)構(gòu)、傳動裝置、光照箱和圖像采集裝置組成,如圖1所示。落料機(jī)構(gòu)主要實現(xiàn)水稻種子規(guī)則有序且呈單粒排列的方式;傳動裝置將水稻種子輸送到光照箱中進(jìn)行圖像采集;采集后的圖像由計算機(jī)進(jìn)行處理,以判斷種子的純度;通過排料機(jī)構(gòu)將不是同一種類的種子給予清除。其檢測流程如圖2所示。2該傳動器的設(shè)計2.1小比單粒水稻種子吹出種子輸送帶的設(shè)計主要考慮水稻種子按粒有規(guī)律排列,因此在皮帶上按列每隔25mm打上橢圓形的小孔,孔的大小比單粒水稻種子稍大些。為了方便對種子后續(xù)排料,皮帶上的小孔打成通孔,然后再用絲網(wǎng)粘在底邊以防種子掉落,從而能將種子從孔中順利吹出?？紤]到皮帶的顏色與水稻種子的差異對后續(xù)圖像處理的影響,選用了黑色皮帶,從而可以在獲取圖像時提高水稻種子與皮帶的對比度,采集到較清晰的圖像,并方便后續(xù)的圖像分割。2.2相異步電機(jī)轉(zhuǎn)速變速機(jī)構(gòu)主要由三相異步電機(jī)、減速器和變頻器組成。由于普通的三相異步電機(jī)轉(zhuǎn)速較快(1440r/min),而在線檢測的速度達(dá)不到這么高的速度,因此需要加減速器減速。變頻器的作用是方便調(diào)節(jié)輸送帶的速度,從而使水稻種子傳輸較快,又能達(dá)到成像清晰的效果。3種子線式和制約因素的設(shè)計為了便于檢測和檢測后及時對不同種類的種子做出處理,水稻種子必須按粒且有規(guī)律地排列在檢測帶上,這也是本研究裝置設(shè)計的一個難點。落料機(jī)構(gòu)的設(shè)計主要由料斗、鎮(zhèn)壓輪、滾刷、步進(jìn)電機(jī)和擋板組成。料斗的設(shè)計必須考慮落料的速度及落料的寬度。機(jī)器視覺獲取水稻種子圖像后,由于圖像處理需要一定的時間,所以落料的速度不能很快。為此,在料斗的上方設(shè)計一個較大的開口,方便進(jìn)料;料斗下方則設(shè)計成縫隙式,縫隙寬度剛好容許單粒種子通過,縫隙長度比輸送皮帶要小,以免種子下落時落在皮帶邊緣。落在輸送帶上的種子依靠輸送帶的摩擦力向上運輸,到達(dá)滾刷位置時通過滾刷刷進(jìn)皮帶孔內(nèi)。鎮(zhèn)壓輪的作用是為了將輸送帶孔邊多余的種子和孔外的種子擠出帶外;擋板是防止水稻種子向輸送帶下方掉落;步進(jìn)電機(jī)的作用是為滾刷提供動力,并獲得合適的速度。通過這套落料機(jī)構(gòu),可以讓水稻種子呈單粒、有序地排列在輸送帶孔內(nèi),為后續(xù)的圖像采集和處理提供了便利條件。4圖像采集機(jī)構(gòu)的設(shè)計4.1圖像采集源采用氣源為了增強(qiáng)室內(nèi)光線,光照箱采用銀白色背景,如圖3所示。光源采用兩排,共32個發(fā)光二極管,亮度較大,基本上可以消除圖像采集中種子留下的陰影。光照箱內(nèi)設(shè)置了一個可調(diào)攝像機(jī)高度和水平移動的架子,以便調(diào)節(jié)物距,讓物體成像清晰。4.2分布式光纖色標(biāo)傳感器為了精確拍攝每行種子圖像,攝像頭采用外部觸發(fā)拍照。采用了德國Basler數(shù)字式像機(jī)和日本生產(chǎn)的數(shù)字式光纖色標(biāo)傳感器(FX-301)。由于皮帶為黑色,為了增大對比度,色標(biāo)采用了白色,由色標(biāo)傳感器實時檢測有無白色色標(biāo),實現(xiàn)單觸發(fā)采集。4.3圖像采集環(huán)境圖像采集的硬件系統(tǒng)由德國Basler相機(jī)和一塊1394卡組成。該CCD相機(jī)的動態(tài)在線拍攝效果好,彩色圖像拍攝時可達(dá)到30幀/s。圖像采集界面及處理軟件采用VC++6.0。圖4為試驗過程中拍攝“金優(yōu)桂99”水稻種子的一幅圖像。5數(shù)據(jù)處理和控制水稻種子排料機(jī)構(gòu)主要由DC24V電磁閥、空氣壓縮機(jī)、色標(biāo)傳感器、繼電器和數(shù)據(jù)采集卡組成。水稻種子由圖像采集后,經(jīng)分析處理,將其結(jié)果保存起來,通過軟件和PCI8408卡來控制電磁閥的動作。其中,電磁閥的觸發(fā)動作由色標(biāo)傳感器根據(jù)皮帶和其上面的色標(biāo)之間的色差來控制。圖像采集時,由于色標(biāo)傳感器的位置到與電磁閥安裝在同一水平線的色標(biāo)傳感器位置之間是確定的,這樣事先在軟件中設(shè)置好相應(yīng)的工位,就可準(zhǔn)確地吹掉想要檢測的種子。6測試環(huán)境分析試驗時,采用水稻種子金優(yōu)桂99、粵占5號、五豐優(yōu)T205和優(yōu)166各114粒,在研制的水稻種子檢測機(jī)上進(jìn)行圖像采集和處理。結(jié)果表明,通過長短軸比值可把金優(yōu)桂99、粵占5號和五豐優(yōu)T205區(qū)分出來。三者的長短軸比值均值分別為4.16,3.72和2.36;其長短軸比值方差分別為0.48,0.46和0.44。7在線監(jiān)控處理1)設(shè)計了一套水稻種子在線檢測裝