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數(shù)粒儀機(jī)器視覺(jué)數(shù)種系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)
在種子培育等工作過(guò)程中,經(jīng)常會(huì)遇到對(duì)種子進(jìn)行計(jì)數(shù)這樣的繁瑣而枯燥的工作,現(xiàn)有的數(shù)種儀器裝置如文獻(xiàn)中所研制的種子數(shù)粒儀等,對(duì)不同大小的顆粒進(jìn)行計(jì)數(shù)時(shí)要更換儀器的部分零部件,不僅操作麻煩,而且費(fèi)用較高,因此數(shù)種子這樣的工作通常還只是人工進(jìn)行,效率很低,不利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化的發(fā)展。
人們對(duì)生理視覺(jué)重要性的認(rèn)識(shí)使得機(jī)器視覺(jué)成為智能計(jì)算機(jī)研究領(lǐng)域中一個(gè)舉足輕重的部分。計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)是機(jī)器視覺(jué)的重要理論基礎(chǔ),是計(jì)算機(jī)應(yīng)用進(jìn)入信息處理領(lǐng)域后的產(chǎn)物。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展,以及圖像信息的普遍性和重要性,計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)在近年來(lái)得到了非常迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。虛擬儀器是基于PC機(jī)的測(cè)控儀器,在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、通信、交通等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。更重要的是虛擬儀器中應(yīng)用最為廣泛的LabView軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)提供了高水平的機(jī)器視覺(jué)和圖像處理軟件包IMAQ Vision,極大的節(jié)約了程序開(kāi)發(fā)時(shí)間,因此把虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用于機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)中將解決傳統(tǒng)系統(tǒng)所無(wú)法達(dá)到的高效性和可靠性。本文利用LabView和IMAQ Vision進(jìn)行圖像處理的技術(shù),開(kāi)發(fā)了準(zhǔn)確率高,使用方便的機(jī)器視覺(jué)數(shù)種系統(tǒng)。
2 種子數(shù)粒儀系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
該種子數(shù)粒儀系統(tǒng)在整體硬件結(jié)構(gòu)上主要包括電磁震動(dòng)工作臺(tái)、攝像頭及燈光、圖像采集卡、PC機(jī),總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。
考慮到圖像采集的精度及處理效果,本系統(tǒng)的硬件進(jìn)行如下配置:220倍彩色一體化攝像機(jī)配備LED光源,IMAQ PCI-1411圖像采集卡,PC機(jī)。LED光源:照明效果是影響圖像質(zhì)量的主要因素之一,因此本系統(tǒng)在光源選擇上采用照明效果較佳的LED光源,將LED光源呈環(huán)形圍繞在攝像頭的周圍,這樣保證了攝像頭和光源的軸線都與工作臺(tái)面垂直。攝像機(jī):由于本系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量的對(duì)象是靜態(tài)物體,所以對(duì)攝像機(jī)的要求不是很高,因此選擇220倍彩色一體化攝像機(jī),811(H)494(V)圖像像素,最低照度0.1LUX,信噪比大于48dB。圖像采集卡:美國(guó)National Instrument公司為配合虛擬儀器開(kāi)發(fā)軟件平臺(tái)LabView和圖像處理軟件平臺(tái)IMAQ Vision軟件包而開(kāi)發(fā)了IMAQ PCI-1408,IMAQ PCI-1409,IMAQ PCI-1411等一系列快速模-數(shù)轉(zhuǎn)換高質(zhì)量視頻采集卡,他們可以充分利用計(jì)算機(jī)的PCI總線的功能,完成圖像的高質(zhì)量采集、數(shù)據(jù)變換和傳輸。NI IMAQ驅(qū)動(dòng)軟件包中包括多種快速圖像采集接口的多種驅(qū)動(dòng)程序,可以從該應(yīng)用程序庫(kù)中直接調(diào)用庫(kù)函數(shù),對(duì)視頻制式、圖像采集、內(nèi)存緩沖、觸發(fā)控制、板卡控制、接收存儲(chǔ)等進(jìn)行編程。本文在進(jìn)行機(jī)器視覺(jué)數(shù)種系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中,采用的是IMAQ PCI-1411,它是一個(gè)單通道彩色圖像或單色圖像采集卡,與來(lái)自標(biāo)準(zhǔn)彩色相機(jī)的模擬視頻圖像兼容,支持外部時(shí)鐘和同步輸入。種子數(shù)粒儀與多媒體的0帖獲取0不同的是,IMAQ PCI-1411的特點(diǎn)在于它提高了圖像采集吞吐量和處理能力。PC機(jī):對(duì)于個(gè)人計(jì)算機(jī)的配置無(wú)過(guò)多特別要求,只要是標(biāo)準(zhǔn)配置即可。
3 種子數(shù)粒儀系統(tǒng)工作原理
待測(cè)種子放置在電磁震動(dòng)工作臺(tái)上,經(jīng)震動(dòng)后使種子較均勻平鋪,為了提高準(zhǔn)確率,應(yīng)盡量避免種子之間重疊。固定在電磁震動(dòng)工作臺(tái)上的攝像頭在良好的LED光源的光照條件下對(duì)平鋪后的種子進(jìn)行圖像拍攝,模擬信號(hào)的圖像數(shù)據(jù)經(jīng)圖像采集卡進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像數(shù)據(jù)后傳遞給PC機(jī)。在PC機(jī)上基于虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)LabVIEW 7.1及其強(qiáng)大的圖像處理功能軟件包IMAQ VISION進(jìn)行機(jī)器視覺(jué)數(shù)種系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā),數(shù)字圖像數(shù)據(jù)通過(guò)該軟件進(jìn)行圖像處理、分析等操作后得出測(cè)量結(jié)果,并在顯示器上顯示出來(lái)。
4 種子數(shù)粒儀系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)
該種子數(shù)粒儀系統(tǒng)是在LabView7.1操作平臺(tái)上應(yīng)用IMAQ Vision圖像處理軟件包進(jìn)行開(kāi)發(fā)的。LabVIEW7.1是一個(gè)高效的圖形化程序設(shè)計(jì)環(huán)境,是虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)。它的功能非常強(qiáng)大,能夠勝任大多數(shù)測(cè)量任務(wù)。它結(jié)合簡(jiǎn)單易行的圖形開(kāi)發(fā)環(huán)境與靈活強(qiáng)大的G編程語(yǔ)言,并利用其容易與C/C++和匯編語(yǔ)言接口的特點(diǎn),可迅速開(kāi)發(fā)出有關(guān)數(shù)據(jù)采集分析及顯示的方案。利用LabVIEW內(nèi)置的TCP/IP協(xié)議組和圖形化的通訊模型,就可以利用多種設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。且所編輯的軟件程序界面友好簡(jiǎn)單,富于個(gè)性化,不像真實(shí)地操作儀器那樣死板。IMAQ Vision是可以嵌入到LabVIEW、LabWindows/CVI等軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)中的功能強(qiáng)大的圖像處理軟件包,其中包括400多個(gè)MMX優(yōu)化函數(shù),可以完成對(duì)計(jì)算機(jī)圖像信息進(jìn)行采集、傳遞、處理、分析等一整套功能。
4.1 數(shù)粒儀系統(tǒng)軟件功能介紹
根據(jù)用戶對(duì)本系統(tǒng)的功能需求,對(duì)操作界面進(jìn)行設(shè)計(jì),如圖2所示。
其中數(shù)據(jù)存儲(chǔ)信息中有測(cè)量工作的操作者姓名、時(shí)間、種子個(gè)數(shù)等基本信息,點(diǎn)擊保存按鈕便可將信息存儲(chǔ)在特定名稱的數(shù)據(jù)庫(kù)文件中,操作者可以對(duì)該數(shù)據(jù)庫(kù)文件進(jìn)行操作編輯,以方便與其它數(shù)據(jù)進(jìn)行共同使用。點(diǎn)擊圖片下載按鈕可下載通過(guò)攝像頭采集過(guò)來(lái)的灰度圖片。點(diǎn)擊計(jì)數(shù)按鈕后將在左側(cè)顯示經(jīng)二值化及其他必要圖像處理過(guò)程后的圖片,并且在種子個(gè)數(shù)欄中顯示測(cè)量結(jié)果。點(diǎn)擊關(guān)于按鈕將彈出有關(guān)該軟件的一些重要信息。點(diǎn)擊幫助按鈕,將調(diào)出一個(gè)用word文檔格式編輯的幫助文件,用戶可對(duì)軟件應(yīng)用中的一些問(wèn)題進(jìn)行查詢參閱。
4.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)軟件在功能上主要包括圖像采集模塊、圖像處理模塊、圖像分析模塊。
4.2.1 圖像采集模塊
這個(gè)模塊是其他模塊的基礎(chǔ)和前提,其功能是驅(qū)動(dòng)IMAQPCI-1411圖像采集卡將攝像機(jī)所拍攝下來(lái)的圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后傳遞給計(jì)算機(jī)。
4.2.2 圖像處理模塊
(1)圖像二值化處理
采集到的圖像由于照明、噪音以及攝像機(jī)等因素的存在直接影響著測(cè)量精確度,需要進(jìn)一步的預(yù)處理,使要檢測(cè)的物體從無(wú)關(guān)緊要的背景中分離出來(lái),濾除不利因素。二值化處理是通過(guò)對(duì)采集圖像中小于某一灰度閾值的像素設(shè)為0,大于該灰度閾值的像素設(shè)為1,把待測(cè)種子和背景分離開(kāi)來(lái)。閾值的正確選擇很重要,選擇不當(dāng)則可能將被測(cè)物上的信息歸于背景或?qū)⒈尘吧系男畔w于被測(cè)物。另外,圖像二值化后,使圖像的每像素只占一位,使得算法簡(jiǎn)單快速。通常情況下閾值的選擇采用手動(dòng)方式,經(jīng)過(guò)很多次嘗試性操作來(lái)確定閾值,這樣選擇的閾值不夠準(zhǔn)確,使操作不能達(dá)到預(yù)期的效果。本文采用IMAQ VISION軟件包中提供的/Histo-graph0控件畫(huà)出離散灰度直方圖,為了使閾值的選擇更準(zhǔn)確,本系統(tǒng)在盛裝種子的背景顏色上選擇黑色,根據(jù)灰度直方圖的特性分析,從圖中可以得到閾值設(shè)置的信息,選擇100.5到255之間的像素為1,其他為0。這種方法確定的閾值準(zhǔn)確率高,使二值化處理精確。
(2)圖像形態(tài)修正
由于種子在操作臺(tái)上平鋪時(shí)不能保證種子之間完全分開(kāi)和其他因素使得經(jīng)過(guò)二值化后的圖像不能使每一個(gè)種子顯示為一個(gè)顆粒,這樣就會(huì)使測(cè)量結(jié)果不精確甚至是得出錯(cuò)誤結(jié)果。鑒于此本系統(tǒng)采用IMAQ VISION軟件包中提供的/IMAQ Sepa-ration0算法將連在一起的兩個(gè)顆粒分離開(kāi),/IMAQ RemovePar-ticle0算法將一些通過(guò)二值化后沒(méi)有與顆粒分離開(kāi)的背景去掉。
4.2.3 圖像分析模塊
經(jīng)過(guò)以上操作后的圖像還是會(huì)有一些顆粒連在一起,這樣在統(tǒng)計(jì)顆粒個(gè)數(shù)時(shí)還是會(huì)有產(chǎn)生錯(cuò)誤,因此在圖像處理算法中又加入一個(gè)根據(jù)顆粒面積進(jìn)行計(jì)數(shù)的方法,即運(yùn)用IMAQ VI-SION軟件包中提供的/IMAQ Particle Analysis0算法計(jì)算每個(gè)顆粒面積,判斷是否為一顆大小居中的顆粒面積的1.5倍以上,如果是便將其按2個(gè)顆粒計(jì)算。
5 系統(tǒng)評(píng)價(jià)
用本系統(tǒng)對(duì)幾種不同大小的種子進(jìn)行數(shù)次試驗(yàn),數(shù)據(jù)如表所示,結(jié)果表明真空數(shù)粒儀系統(tǒng)不僅準(zhǔn)確率很高、操作簡(jiǎn)單、測(cè)量時(shí)間短,而且解決了其他相關(guān)儀器對(duì)種子大小有要求的弊端。
6 結(jié)論
根據(jù)機(jī)器視覺(jué)原理在LabView操作平臺(tái)上利用IMAQ PCI-1411圖像采集卡和圖像處理軟件IMAQ Vision進(jìn)行了機(jī)器視覺(jué)數(shù)種系統(tǒng)的開(kāi)發(fā),經(jīng)試驗(yàn)表明本系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確,操作效率高。最重要的是本系統(tǒng)可擴(kuò)展性較強(qiáng).本文所實(shí)現(xiàn)的只是一個(gè)基本功能,可以在此基礎(chǔ)上進(jìn)行出芽率、質(zhì)量、凈度等測(cè)量功能擴(kuò)展,而且不需要額外添加硬件,使開(kāi)發(fā)成本降低。
數(shù)粒儀 http://www.seed17.net/product/6.html
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