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數(shù)粒儀機器視覺數(shù)種系統(tǒng)的開發(fā)
在種子培育等工作過程中,經(jīng)常會遇到對種子進行計數(shù)這樣的繁瑣而枯燥的工作,現(xiàn)有的數(shù)種儀器裝置如文獻中所研制的種子數(shù)粒儀等,對不同大小的顆粒進行計數(shù)時要更換儀器的部分零部件,不僅操作麻煩,而且費用較高,因此數(shù)種子這樣的工作通常還只是人工進行,效率很低,不利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)自動化的發(fā)展。
人們對生理視覺重要性的認識使得機器視覺成為智能計算機研究領(lǐng)域中一個舉足輕重的部分。計算機圖像處理技術(shù)是機器視覺的重要理論基礎(chǔ),是計算機應(yīng)用進入信息處理領(lǐng)域后的產(chǎn)物。隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展,以及圖像信息的普遍性和重要性,計算機圖像處理技術(shù)在近年來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機的測控儀器,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軟件開發(fā)平臺提供了高水平的機器視覺和圖像處理軟件包IMAQ Vision,極大的節(jié)約了程序開發(fā)時間,因此把虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用于機器視覺系統(tǒng)中將解決傳統(tǒng)系統(tǒng)所無法達到的高效性和可靠性。本文利用LabView和IMAQ Vision進行圖像處理的技術(shù),開發(fā)了準確率高,使用方便的機器視覺數(shù)種系統(tǒng)。
2 種子數(shù)粒儀系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計
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工作臺、攝像頭及燈光、圖像采集卡、PC機,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)的硬件進行如下配置:220倍彩色一體化攝像機配備LED光源,IMAQ PCI-1411圖像采集卡,PC機。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面垂直。攝像機:由于本系統(tǒng)進行測量的對象是靜態(tài)物體,所以對攝像機的要求不是很高,因此選擇220倍彩色一體化攝像機,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National Instrument公司為配合虛擬儀器開發(fā)軟件平臺LabView和圖像處理軟件平臺IMAQ Vision軟件包而開發(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算機的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)動軟件包中包括多種快速圖像采集接口的多種驅(qū)動程序,可以從該應(yīng)用程序庫中直接調(diào)用庫函數(shù),對視頻制式、圖像采集、內(nèi)存緩沖、觸發(fā)控制、板卡控制、接收存儲等進行編程。本文在進行機器視覺數(shù)種系統(tǒng)的開發(fā)過程中,采用的是IMAQ PCI-1411,它是一個單通道彩色圖像或單色圖像采集卡,與來自標準彩色相機的模擬視頻圖像兼容,支持外部時鐘和同步輸入。種子數(shù)粒儀與多媒體的0帖獲取0不同的是,IMAQ PCI-1411的特點在于它提高了圖像采集吞吐量和處理能力。PC機:對于個人計算機的配置無過多特別要求,只要是標準配置即可。
3 種子數(shù)粒儀系統(tǒng)工作原理
待測種子放置在電磁震動工作臺上,經(jīng)震動后使種子較均勻平鋪,為了提高準確率,應(yīng)盡量避免種子之間重疊。固定在電磁震動工作臺上的攝像頭在良好的LED光源的光照條件下對平鋪后的種子進行圖像拍攝,模擬信號的圖像數(shù)據(jù)經(jīng)圖像采集卡進行模數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像數(shù)據(jù)后傳遞給PC機。在PC機上基于虛擬儀器軟件開發(fā)平臺LabVIEW 7.1及其強大的圖像處理功能軟件包IMAQ VISION進行機器視覺數(shù)種系統(tǒng)軟件開發(fā),數(shù)字圖像數(shù)據(jù)通過該軟件進行圖像處理、分析等操作后得出測量結(jié)果,并在顯示器上顯示出來。
4 種子數(shù)粒儀系統(tǒng)的軟件開發(fā)
該種子數(shù)粒儀系統(tǒng)是在LabView7.1操作平臺上應(yīng)用IMAQ Vision圖像處理軟件包進行開發(fā)的。LabVIEW7.1是一個高效的圖形化程序設(shè)計環(huán)境,是虛擬儀器開發(fā)平臺。它的功能非常強大,能夠勝任大多數(shù)測量任務(wù)。它結(jié)合簡單易行的圖形開發(fā)環(huán)境與靈活強大的G編程語言,并利用其容易與C/C++和匯編語言接口的特點,可迅速開發(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)備進行數(shù)據(jù)采集。且所編輯的軟件程序界面友好簡單,富于個性化,不像真實地操作儀器那樣死板。IMAQ Vision是可以嵌入到LabVIEW、LabWindows/CVI等軟件開發(fā)平臺中的功能強大的圖像處理軟件包,其中包括400多個MMX優(yōu)化函數(shù),可以完成對計算機圖像信息進行采集、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)用戶對本系統(tǒng)的功能需求,對操作界面進行設(shè)計,如圖2所示。
其中數(shù)據(jù)存儲信息中有測量工作的操作者姓名、時間、種子個數(shù)等基本信息,點擊保存按鈕便可將信息存儲在特定名稱的數(shù)據(jù)庫文件中,操作者可以對該數(shù)據(jù)庫文件進行操作編輯,以方便與其它數(shù)據(jù)進行共同使用。點擊圖片下載按鈕可下載通過攝像頭采集過來的灰度圖片。點擊計數(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程后的圖片,并且在種子個數(shù)欄中顯示測量結(jié)果。點擊關(guān)于按鈕將彈出有關(guān)該軟件的一些重要信息。點擊幫助按鈕,將調(diào)出一個用word文檔格式編輯的幫助文件,用戶可對軟件應(yīng)用中的一些問題進行查詢參閱。
4.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計
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
這個模塊是其他模塊的基礎(chǔ)和前提,其功能是驅(qū)動IMAQPCI-1411圖像采集卡將攝像機所拍攝下來的圖像信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后傳遞給計算機。
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、噪音以及攝像機等因素的存在直接影響著測量精確度,需要進一步的預(yù)處理,使要檢測的物體從無關(guān)緊要的背景中分離出來,濾除不利因素。二值化處理是通過對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,把待測種子和背景分離開來。閾值的正確選擇很重要,選擇不當則可能將被測物上的信息歸于背景或?qū)⒈尘吧系男畔w于被測物。另外,圖像二值化后,使圖像的每像素只占一位,使得算法簡單快速。通常情況下閾值的選擇采用手動方式,經(jīng)過很多次嘗試性操作來確定閾值,這樣選擇的閾值不夠準確,使操作不能達到預(yù)期的效果。本文采用IMAQ VISION軟件包中提供的/Histo-graph0控件畫出離散灰度直方圖,為了使閾值的選擇更準確,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
由于種子在操作臺上平鋪時不能保證種子之間完全分開和其他因素使得經(jīng)過二值化后的圖像不能使每一個種子顯示為一個顆粒,這樣就會使測量結(jié)果不精確甚至是得出錯誤結(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顆粒分離開,/IMAQ RemovePar-ticle0算法將一些通過二值化后沒有與顆粒分離開的背景去掉。
4.2.3 圖像分析模塊
經(jīng)過以上操作后的圖像還是會有一些顆粒連在一起,這樣在統(tǒng)計顆粒個數(shù)時還是會有產(chǎn)生錯誤,因此在圖像處理算法中又加入一個根據(jù)顆粒面積進行計數(shù)的方法,即運用IMAQ VI-SION軟件包中提供的/IMAQ Particle Analysis0算法計算每個顆粒面積,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個顆粒計算。
5 系統(tǒng)評價
用本系統(tǒng)對幾種不同大小的種子進行數(shù)次試驗,數(shù)據(jù)如表所示,結(jié)果表明真空數(shù)粒儀系統(tǒng)不僅準確率很高、操作簡單、測量時間短,而且解決了其他相關(guān)儀器對種子大小有要求的弊端。
6 結(jié)論
根據(jù)機器視覺原理在LabView操作平臺上利用IMAQ PCI-1411圖像采集卡和圖像處理軟件IMAQ Vision進行了機器視覺數(shù)種系統(tǒng)的開發(fā),經(jīng)試驗表明本系統(tǒng)測量結(jié)果準確,操作效率高。最重要的是本系統(tǒng)可擴展性較強.本文所實現(xiàn)的只是一個基本功能,可以在此基礎(chǔ)上進行出芽率、質(zhì)量、凈度等測量功能擴展,而且不需要額外添加硬件,使開發(fā)成本降低。
數(shù)粒儀 http://www.seed17.net/product/6.html
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