基于图像处理的大蒜蒜种品质无损分级方法研究

分类：论文范文 发表时间：2019-11-21 10:12

　　摘 要:针对大蒜蒜种分级过程中蒜种易损坏、机器成本耗费大等问题,提出一种基于图像处理的大蒜蒜种品质无损分级方法。首先对采集到的大蒜蒜种图像进行灰度化、二值化等预处理得到二值化图像。然后在农业工作环境比较恶劣、存在不可避免的噪声情况下,采用形态学处理二值化图像,对图像采用腐蚀算子进行运算,消除噪声,再对图像采用膨胀算子进行运算,得到无噪声的二值化图像。在此基础上通过 Canny算子进行有效外轮廓提取并进行旋转矩形拟合,得到最小外接矩形。最小矩形的长和宽比例代替真实蒜种的长宽比作为大蒜蒜种品质筛选的重要依据。实验结果表明,算法可以无损地获取蒜种长和宽的比例,实现大蒜蒜种品质筛选,图像处理过程时间平均为 612ms,满足正常工作实时性要求,在大蒜蒜种品质等级筛选中具有一定的应用价值。

　　关键词:图像处理;无损分级;二值化;形态学;矩形拟合

　　中国是大蒜产量大国,其种植区域和出口数量均达到世界前列[1-2]。大蒜具有抗菌、抗病毒、抗肿瘤、降血脂、提高机体免疫功能、降血糖、解毒等功效[3-4]。大蒜种植中影响大蒜产量的主要有2个因素:蒜尖朝上和种瓣大小。研究表明蒜种重量越大, 大蒜的产量越高,两者呈显著正相关。如果种瓣质量越大,则用种量也越大。从产量、产值等经济效益因素综合考虑,以每瓣5.89g的种瓣处理,其蒜头净产量、净产值、总产值、甲级蒜率等4项指标均居第1位,种瓣3.89g的处理其4项指标次之[5]。因此,种瓣质量以3.89~5.89g为宜。

　　1 大蒜蒜种品质无损分级过程

　　笔者设计的大蒜蒜种无损分级装置的工作过程为未经筛选的大蒜蒜种通过传送带到达摄像头监控区域,传送带由步进电机控制。当光电检测器检测到有蒜种通过时,触发中断信号,下位机将信号发送给上位机,上位机开始进行图像处理。大蒜蒜种无损分级图像处理流程。

　　上位机控制打开 USB摄像头,采集当前原始图像。首先对原始图像进行灰度化处理,设置阈值,通过图像分割方法对灰度图像进行处理。由于传送带和蒜种不可避免地产生噪声影响后续计算,因此采用图像形态学处理技术,对二值化图像进行开运算, 得到没有噪声的二值化图像。预处理后得到的图像通过外轮廓拟合矩形得到蒜种长、宽,通过与系统已经设定的标准蒜种长、宽和长宽比进行对比并统计特征值。上位机将分析得出的分类结果传给下位机,下位机控制设备将不符合标准的蒜种淘汰。

　　2 种瓣的图像采集及预处理

　　上位机通过摄像头获取当前一帧图像后,将当前图像作为最初原始图像经过灰度化和二值化算法预处理,得到非黑即白的二值化图像。蒜种在传送阶段肯定会存在蒜种蒜皮、蒜皮碎屑或其他噪声,对得到的二值化图像产生影响,并且对后续拟合算法的准确率产生很大干扰,拟合算法的准确率将会降低。采用图像形态学中开运算算法,对以上的噪声干扰进行处理,为拟合算法提供有利的基础。

　　3 种瓣轮廓的提取及矩形拟合

　　原始图像经过预处理后得到没有噪声干扰的二值化图像,提取图像中蒜种轮廓并进行最小矩形拟合。拟合矩形的长与宽之比代替大蒜蒜种的长宽比并作为大蒜蒜种品质筛选的判断条件。首先采用 OpenCV 中cv2.findContours函数寻找轮廓,cv2.findContours函数采用 SUZUKI等[14] 提出的提取轮廓算法。他提出2种算法:第1种算法是计算二值化图像中外轮廓、孔边界和它们之间的层次关系;第2种算法是按照第1种算法变形,只采集二值化图像中最外层轮廓。

　　4 实验平台搭建与算法验证

　　基于图像处理的大蒜蒜种品质无损分级方法研究中,采用大量的大蒜蒜种进行实验。硬件主要采用树莓派2代 B型和一个普通的 USB摄像头进行图像采集,光源采用环形漫射光源。实验环境为图像处理软件 OpenCV 运行于 Linux系统中。

　　经过多次实验验证,采用图像处理方法可以准确地对大蒜蒜种品质进行无损分级,实验结果可靠。图像预处理、形态学去噪和最小矩形拟合等图像处理过程的综合平均时间为612 ms,方便快速,满足对大蒜蒜种品质无损分级的实时性要求。

　　5 结 论

　　针对大蒜蒜种品质等级问题,提出了一种基于最小矩形拟合的图像处理方法。该方法由摄像头采集的一帧图像,经过图像灰度化、图像分割和形态学开运算等预处理,然后提取大蒜蒜种轮廓,并拟合出最小外接矩形的长宽比作为判断依据,实现大蒜蒜种品质分级。理论公式以及实验结果证明了该方法可以快速、准确地判断出大蒜蒜种的等级,同时不会对大蒜蒜种产生机械损坏且满足实时性的要求,成本低廉,可以推广应用。但是去噪方法对蒜种真实轮廓造成一定程度的干扰,且该系统不能同时进行多个蒜种品质分级,这将是下一步研究的重点。

　　参考文献/References:

　　[1] 郭英芳.大蒜种植机械中蒜瓣方向识别方法的研究[D].杨凌: 西北农林科技大学,2011.GUOYingfang.ResearchoftheRecognitionMethodofGarlic Directionin Planting Machinery[D].Yangling:Northwest A&FUniversity,2011.

　　[2] 肖小勇,李崇光.我国大蒜出口的“大国效应”研究[J].国际贸易问题,2013,20(8):6171.XIAOXiaoyong,LIChongguang.Studyof“PowerEffect”in China’sgarlicexports[J].JournalofInternationalTrade, 2013,20(8):61-71.

　　[3] 苏美琼,杨柏崇,成密红,等.大蒜的功效及综合利用研究进展[J].西北农报,2003,12(4):151156.SUMeiqiong,YANGBaichong,CHENGMihong,etal.Advanceinresearchesoftheefficacyandsyntheticutilization ofgarlic[J].Acta Agriculturae Boreali-occidentalis Sinica, 2003,12(4):151-156.

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