基于机器视觉的帧种子数识别及其应用.doc

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1、基于机器视觉的帧种子数识别及其应用 0  引言    机器视觉是近年来兴起的一种新型检测技术，具有快速、准确、无接触以及无损伤等特点，已被广泛应用于各个领域。排种器性能的检测方法有很多种，如人工检测、光电检测、压电效应检测和高速摄影检测等，但这些检测方法在检测过程或检测精度上存在一定的局限性。本文尝试采用一种机器视觉的帧种子数识别方法，利用图像采集频率和播种频率之间的关系推到排种质量模型，进而完成对排种器排种质量的检测。    1  视觉检测样本制备1.1  试验方案    为了获得排种器在不同转速和不同气压下的帧种子数样本，试验中转

2、速取40，49，70，91，100r/min等5个水平，气压取4，4.88，7，9.12，10kPa等5个水平。试验方案采用2次正交旋转组合试验设计。    1.2试验材料    本试验选用同一品种的大豆作为试验材料，该品种的特征参数[2-3]见表1所示。    1.3检测系统构成    检测系统主要由排种器试验台、CCD摄像机、计算机和照明装置组成，见图1所示。排种器试验台主要由机架、排种器、调速电机、传动系统和调速控制器等组成。    1.4样本制备    试验时，调节CCD摄像机焦距和照明装置，直到种子流图像清晰时锁定焦距。试验

3、台控制排种器按设计的试验参数排种，CCD摄像机采集种子流视频信号并存储，即获得检测样本视频资料。    采用VC++编程或MATLAB软件图像处理工具箱对获得的视频资料进行处理。通过对原始图像进行差分、增强、二值化、中值滤波和腐蚀膨胀等处理，可得到清晰的帧种子图像样本，如图2所示    2  帧种子数识别    为了得到样本图像中的帧种子数，可采用MAT-LAB软件中计算图像对象数的命令bwlabeln(x)‘51，编写程序提取帧种子数特征，如图3所示。    图2所示的帧种子图像是比较理想的，实际得到的绝大部分图像如图4所示，会出现

4、种子重叠遮挡和含杂质现象，尤其是在高速条件下采集到的图像‘61。图像出现重叠遮挡和含杂质就会影像帧种子数统计的精度，为了提高帧种子数统计精度，文中采用种子投影面积来统计帧种子数。在提取帧种子数之前，先选取某个样本中的一部分帧图像，求出总面积后除以种子的总粒数，就得到了种子的平均面积。在帧种子数统计时，应用求面积函数x=bwarea()统计出帧图像中的种子面积，再与种子平均面积做比较，即可得到帧种子数。此方法可以很好地解决种子重叠遮挡和杂质现象。试验数据表明，采用面积法得到的帧种子数精度较高。    3  帧种子数应用    帧种子数样

5、本统计是为了进行排种器排种质量的估计。    3.1排种质量指标    精密排种器的排种质量指标采用漏播指数(M)、合格指数(A)和重播指数(D)等3项指标来衡量。M=p（XCS=0）×100     n(Xrs)一帧种子数频数，指帧种子数为戈瞪的帧    在样本里出现的次数；    以戈H）一帧种子数频率，指帧种子数为XFS的帧    在样本里出现的频率；    nsp--样本容量，指样本中帧图像的总数。    3.3型孔种子数概率    对于非负整数集Ⅳ=to，1,2，…}(r，leⅣ)，考察每帧图像，帧种子数XFS、帧型孔数XF

6、C、型孔种子数XCS和型孑L种子数频数n(x，。)可构成的模型为 式中XCS--型孔种子数Xcs（随机变量）的观测值，指    单个型孔排出的种子个数；    xFC一帧型孔数，指帧图像里的种子所属排种型    孔的个数；    n(Xcs)一型孔种子数频数，指型孔种子数为XCS    在样本里出现的次数。    由式(4)可知，要确定型孔种子数频率，首先应该确定帧型孔数。因种子从排种口排出后做自由落体运动，利用排种盘转速、半径、型孔数、图像大小和采样频率可以确定帧型孔数最大值，如表2所示。    根据手工检测结果，得到每帧图像中帧种

7、子数最小为O，最大为5。由此得到型孔种子数Xcs和帧种子数Xrs的限制条件为    0≤Xcs≤6    (5)O≤Xrs≤5    (6)根据式(2)、式(3)、式(4)、式(5)和式(6)可求得型孔种子数概率分布的一个估计，得到p(xcs=0)和p（XCS=1）时的概率，如表3所示。    由型孔种子数概率分布可以看出，型孔种子数为0的概率变化较大，说明转速和气压变化对漏播指标影响较大。    3.4  排种器排种质量指标的计算    根据式(1)和型孔种子数概率，可计算出精密排种器排种质量指标，如表4所示。    由排种质量分布

8、可以看出，气压的变化对漏播指标影响较为显著。在转速为70r/min、气压为4kPa时，漏播指数为8.31；气压为7kPa时，漏播指数增至50.12。这说明，在气压较大的情况下，型孔充种效果受到影响，部分种子被气流吹走，无