基于机器视觉的多个玉米籽粒胚部特征检测

为了利用机器视觉进行多个玉米种子品种的自动识别,该文提出了一种针对多个玉米籽粒进行胚部检测的方法。该方法基于阈值分割和形态学,在RGB空间,采用自动屏蔽0值像素的大津法（Otsu法）,根据B分量值对多粒玉米籽粒扫描图像进行分割,并采用改进的开闭运算对分割后的图像进行修整,最终得到多个玉米籽粒胚部区域。以4个黄玉米品种各45个籽粒为实验对象,以此方法进行胚部检测,为了验证所得胚部区域有效,提取胚部区域面积、周长分别与手工测量的面积、周长进行线性回归分析,R2的均值分别达到0.9834、0.9578;进一步提取所得胚部区域的形状参数,进行聚类识别,不同品种间的差距值反映了不同品种胚部视觉效果上的差异大小,4个品种中1种识别率为97.8%,其余3种均为100%;多个玉米胚部检测较每个籽粒单独处理的效率提高了29.59%。试验结果表明本文提出的多个玉米籽粒胚部检测方法可行。此研究结果为进一步研究玉米籽粒的胚部特征提供了有利条件,也为实现玉米品种的快速准确分类提供了参考。     

基于籽粒RGB图像独立分量的玉米胚部特征检测

玉米胚部特征是重要的农艺性状之一,目前主要通过手工方法进行测量。为实现通过机器视觉图像处理的方法进行玉米胚部特征的自动检测,提出一种基于独立分量分析ICA的玉米胚部测量方法,并建立了检测模型。首先对玉米籽粒的RGB图像进行ICA分析,发现具有最大熵的独立分量IC代表着胚部与籽粒其他部分的对比。根据此IC能够实现玉米胚部的准确分割。然后,提取了玉米胚部面积等9个特征。和手工检测结果相比,面积误差为0.7%,决定系数达0.984,其他8个特征的误差总体也都在2%以下。与前人的基于颜色模型区域生长的检测结果比较,检测准确度有明显提高。表明采用基于ICA的方法检测的结果准确可靠,能够用于玉米胚部的自动检测。     

马齿形玉米种子尖端激光定向与胚面识别装置研制

为了实现玉米种子的尖端定向与胚面识别,该文以现有尖端定向装置输出的马齿型玉米种子为对象,基于激光开关和测距原理,提出了一种尖端定向与胚面识别方法:依据马齿形玉米种子尖端窄大头宽的轮廓特征,利用激光开关传感器等部件对玉米种子的尖端朝向进行识别,并将大头朝前的玉米种子进行剔除;依据马齿形玉米种子胚面上有胚沟而反面较为平整的表面特征,利用激光测距传感器等部件对尖端朝前的玉米种子进行胚面识别。设计并搭建了玉米种子尖端定向与胚面识别装置,配合现有的尖端定向装置进行试验,结果表明:尖端定向与胚面识别装置的尖端定向成功率达到99.1%,相比现有的尖端定向装置提升了9.5个百分点,胚面识别准确率为96.4%。该方法基本可以实现玉米种子的尖端定向,同时保证胚面识别准确率达到较高水准。该文提出的玉米种子尖端定向与胚面识别方法可为后续玉米种子的自动化定向包装提供参考。     

图像处理识别玉米品种的特征参数研究

该文以中国普遍种植的黄玉米为研究对象,通过对不同品种玉米籽粒数字图像信息的分析对比,发现玉米籽粒白色部分(胚部)与黄色部分(冠部)的面积、颜色等信息可以作为识别玉米品种的特征.采用基于支持向量机的遗传算法结合SPSS统计软件进行试验验证,得出玉米籽粒白色部分与黄色部分的面积比例、黄色部分的蓝色分量与饱和度在玉米品种识别方面具有显著价值.     

玉米单倍体种子胚部特征提取及动态识别方法

为了实现基于机器视觉方法的玉米单倍体种子识别,该文研究了一种玉米单倍体种子胚部特征提取及动态识别方法。采用一种基于B通道平均像素值的胚部特征提取方法,提取了具有Navajo标记的玉米种子的胚部图像,基于此在RGB颜色空间内提取了样本的Navajo标记图像,从而得到一套玉米单倍体种子快速识别RGB组合算法。在玉米分选试验台上进行了动态分选试验。试验结果表明,该算法对LC09124-UH400品种玉米单倍体的识别正确率为98.04%,对杂合体的识别正确率为94.44%。该文提出的玉米单倍体种子RGB组合快速识别算法与玉米分选试验台结合形成的动态分选系统,有助于实现玉米单倍体种子的自动化分选。     

高光谱成像技术和主成分分析识别玉米籽粒的胚

摘要：为了分割玉米籽粒的胚部分,本研究搭建了一套高光谱成像系统用于获取波段范围为500～900 nm的高光谱反射图像。主成分分析（PCA）方法对样本高光谱数据进行降维以便选择少量有效波长构建多光谱成像系统。研究发现,采用可见光（VIS）区域的3个有效波长510、555和575 nm获得的主成分（PC）图像获得了较好的识别结果。100个独立样本用于评估算法性能,结果表明,样本中97.0%的胚可以从玉米籽粒中正确分离。     

低湿玉米籽粒的射频加热模拟与试验

为了准确预测射频加热过程低湿(含水率13.0%～20.0%)玉米籽粒的温度分布变化,该研究结合玉米籽粒的多组分结构特征、热物理特性及介电特性的异质性,建立了玉米籽粒的三维二组分物理几何模型和射频加热数学模型,并利用验证后的模型研究不同姿态和含水率玉米籽粒的射频选择性加热。结果表明:射频加热过程中平放玉米籽粒温度的模拟值与试验值最大相对误差仅为3.47%,玉米籽粒中胚的温度高于胚乳,该模型能很好地预测籽粒内部的选择性加热现象。射频加热过程直立玉米籽粒的几何效应最强,显著提高了胚的电场强度和功率密度,导致其优先加热程度最大,其次是斜放和侧立玉米籽粒的,平放玉米籽粒中胚的优先加热程度最小。射频加热过程含水率为13.0%的玉米籽粒中胚与胚乳的温差逐渐增大,而含水率为16.5%和20.0%的玉米籽粒中胚与胚乳的温差先增大后减小;当玉米籽粒被加热至55℃时,含水率为16.5%的玉米籽粒中胚的优先加热程度最大,其次是含水率为13.0%玉米籽粒的,含水率为20.0%的玉米籽粒中胚的优先加热程度最小。研究结果揭示了玉米籽粒的姿态和含水率对其射频选择性加热的影响规律,可为射频加热技术应用于低湿玉米籽粒的热处理过程提供有益借鉴。     

玉米种子自动精选系统开发

种子精选是种子工程发展中需要解决的关键问题之一。该文设计了动态玉米籽粒品质检测分级系统,利用玉米籽粒的形态特征将种子分为4级,利用颜色特征将种子分为3级,分级合格率分别为81.8%和93.04%;设计了玉米籽粒品种识别系统,利用基于贝叶斯准则的分类器和基于支持向量机的模式识别方法,可实现农大80、农大108、高油115、农大4967、白糯6号共5个玉米品种的识别,平均识别准确率为92%;研制了玉米单倍体籽粒分拣系统,根据其颜色特征及模式识别技术进行玉米单倍体识别后使用二自由度并联机器人机构,采用气吸方式进行分拣,分拣精度为80%。     

基于X-rayμCT技术的玉米籽粒结构特征的粒位效应分析

玉米籽粒因其在果穗上着生位置不同存在较大差异,明确籽粒结构特征的粒位效应为玉米的消费、加工和播种质量等玉米产量和品质性状的评价提供参考。该研究以3个不同籽粒类型的玉米品种登海618(DH618)、KX3564和先玉335(XY335)为材料,利用X射线计算机断层(X-ray micro-computed tomography,X-ray μCT)技术扫描测试样本,通过图像滤波、阈值分割等图像分析方法重建籽粒3维结构,获取玉米果穗不同粒位籽粒的胚、胚乳、皮下空腔、胚空腔、硬质胚乳、粉质胚乳、胚乳空腔等结构参数。数据分析表明,籽粒不同结构指标在果穗上呈现不同的变化规律,从基部到顶部(不考虑果穗两端的极端籽粒),胚、胚乳及硬质胚乳体积线性下降,各指标在果穗上的变化范围分别为15.82～33.36、180.15～296.50及87.13～166.00 mm~3;胚乳空腔皮下空腔胚空腔,果穗中部籽粒的空腔较小且稳定,3个品种表现一致;胚与胚乳的比值在粒位间基本稳定,粉质胚乳体积、硬质胚乳与粉质胚乳的比值从基部至顶部逐渐减小,但不同指标的变化斜率存在差异。3个供试品种的籽粒结构参数不同:DH618果穗不同部位籽粒胚与胚乳的比值大于KX3564和XY335,XY335籽粒硬质胚乳与粉质胚乳的比值大于DH618和KX3564。在籽粒空腔方面,KX3564皮下空腔的比例较高,而XY335胚乳空腔的比例较高。3个品种胚、胚乳、皮下空腔体积在玉米籽粒中的比例平均分别为9.27%、89.87%、0.86%。X-ray μCT扫描技术为玉米籽粒性状的研究提供新的方法与思路,明确果穗籽粒结构的粒位效应有利于全面地掌握玉米果穗上籽粒的性状特征,为玉米的生产、加工及品种改良等提供借鉴。     

基于核磁共振的玉米不同籽粒类型单粒质量和含油率分析

针对现有玉米单倍体核磁共振分选系统基于一个含油率阈值,无法对胚败育籽粒和单倍体籽粒正确分选的问题,分别对玉米生物诱导产生的二倍体、单倍体和胚败育3种不同籽粒类型的单粒质量和含油率进行分析,提出了利用籽粒含油率双阈值提高单倍体正确识别率的分选方法。该研究以2个普通玉米杂交种和3个自交系为母本,以高油型诱导系为父本,进行生物诱导产生的3种不同类型籽粒为研究对象,利用核磁共振分选系统分别对不同类型籽粒的单粒质量和含油率进行测定,结果表明：单粒质量整体表现为单倍体>二倍体>胚败育,除二倍体籽粒与胚败育籽粒间存在极显著差异外,其他籽粒类型间差异不显著;不同类型籽粒的单粒质量平均变异系数为16.62%,并且每个材料的3种籽粒类型间出现较大的重叠区域。而不同类型籽粒含油率整体表现为二倍体>单倍体>胚败育,变异性以二倍体最小,平均变异系数仅为12.52%,其次是单倍体,而胚败育籽粒最高（34.14%）,但其含油率最低且均≤2%;每个材料各自的3种类型籽粒间含油率呈现梯度分布,存在较明显的界限。由此可见,利用籽粒含油率能够区分玉米生物诱导的3种不同籽粒类型,而单粒质量则不能;通过设置二倍体籽粒的最小含油率为上限,胚败育籽粒的最大含油率为下限,利用含油率的双阈值可提高单倍体的正确识别率,为玉米生物诱导单倍体高效自动化分选提供依据。     

Hydration Rates for Various Types of Mexican Maize Based on Single‐Kernel Measurements

Hydration kinetics for sound maize kernels in liquid water, determined by single‐kernel measurements for three different Mexican maize types, yielded water diffusion coefficients ordered as Celaya corn > Toluca corn > Palomero corn, at all temperatures examined. These diffusion coefficients are lower than those reported earlier for maize grains, possibly due to the fact that in the present study damaged kernels were rigorously excluded. The energies of activation determined from the Arrhenius plots were ordered as Palomero corn > Celaya corn = Toluca corn and were similar in value to those reported earlier for other maize types. Damage to the surface of the maize kernels during the hydration experiments occurs at a significant frequency. Even minor surface lacerations can strongly affect the rate of hydration of the kernels. Experiments with maize grains selectively varnished in various parts of their surface show that the entry of water into the kernels occurs predominantly through the pericarp, not through the tip cap, though the tip cap has a higher water inflow per unit area.     

Effect of Kernel Size,Location, and Type of Damage on Popping Characteristics of Popcorn

Popping characteristics, specifically expansion volume and popping time, were studied for damaged popcorn. A single variety of commercial undamaged yellow popcorn was separated into four size fractions (D < 4.36, 4.36 < D < 5.16, 5.16 < D < 5.95, and D > 5.95 mm) by screening with round-hole sieves. Kernels were damaged using a razor knife by either slicing a 2-mm diameter piece of the endosperm or the germ or by cutting through the pericarp and seed coat into the endosperm or the germ ≈2 mm. A total of five combinations of location and damage were studied (tip cap removed, side cut, side sliced, germ cut, and germ sliced) for each kernel size. A control sample with no damage was also analyzed for each size fraction. All of the damaged kernels (regardless of type of damage) popped, but they had expansion volumes 9.1–47.5% smaller than those of undamaged kernels. The expansion volume of damaged kernels increased by 52.5–85.7%, depending on the damage, when the size of the kernel increased from <4.36 mm to >5.95 mm. Removing the tip cap and slicing through the germ caused less loss of expansion volume than did other types of damage. Damaged popcorn kernels had faster popping times (12.2–24.0 sec) than did undamaged kernels (30.9–34.6 sec). Popping times increased with increasing kernel size for all types of damage.     

Dry‐Milling and Fractionation of Transgenic Maize Seed Tissues with Green Fluorescent Protein as a Tissue Marker

The efficiency of fractionating cereal grains (e.g., dry corn milling) can be evaluated and monitored by quantifying the proportions of seed tissues in each of the recovered fractions. The quantities of individual tissues are typically estimated using indirect methods such as quantifying fiber or ash to indicate pericarp and tip cap contents, and oil to indicate germ content. More direct and reliable methods are possible with tissue‐specific markers. We used two transgenic maize lines, one containing the fluorescent protein green fluorescent protein (GFP) variant S65T expressed in endosperm, and the other containing GFP expressed in germ to determine the fate of each tissue in the dry‐milling fractionation process. The two lines were dry‐milled to produce three fractions (bran‐, endosperm‐, and germ‐rich fractions) and GFP fluorescence was quantified in each fraction to estimate the tissue composition. Using a simplified laboratory dry‐milling procedure and our GFP‐containing grain, we determined that the endosperm‐rich fraction contained 4% germ tissue, the germ‐rich fraction contained 28% germ, 20% endosperm, and 52% nonendosperm and nonembryo tissues, and the bran‐rich fraction contained 44% endosperm, 13% germ, and 43% nonendosperm and nonembryo tissues. GFP‐containing grain can be used to optimize existing fractionation methods and to develop improved processing strategies.     

基于胚部区域特征的麦粒姿态自动识别

麦粒姿态的自动判别,是近红外高光谱成像系统自动检测多姿态麦粒内部虫害的前提。依据麦粒目标在最优波长图像中的坐标、重心等信息,从高光谱数据立方体中自动分割出单个完整麦粒的子图像。利用麦粒胚部端粗糙度较大的原理,依据纹理、不变矩、均值等13个可能胚部区域特征的判别正确率,确定不变矩4为判别麦粒胚部区域的有效特征。针对麦粒胚部区域,提取梯度图像和二值图像的26个特征,利用人工鱼群算法选择出延伸率、胚部区域对称度、延伸率等13个特征。选取1 200个样本进行训练,600个样本进行检验,利用最大离差法自动确定13个特征的模糊权重,麦粒3个姿态可拓分类的正确识别率为94.5%,证实了基于局部区域特征的麦粒姿态自动识别的可行性。     

基于机器视觉的玉米种粒定向定位摆放装置研制

为实现玉米定向、定位播种,基于图像处理技术研制了一种玉米种粒定向定位摆放装置。在介绍装置的组成和工作原理的基础上,设计了关键部件的结构,通过试验分析和理论计算,确定了关键部件的尺寸参数和安装方位,测试了导向定位管的定位精度,分析了凹型定位槽连续有效作业的条件,并结合作业精度要求,设计了控制方式并设置了控制参数。同时结合金博士郑单958种粒样本的特点,改进了合格种粒胚芽正反面和尖端朝向的图像检测算法。试验结果表明,胚芽正反面检测准确率为98%,尖端朝向检测偏差小于8°,凹槽定位准确率为97%,定位吸取准确率为94%,定位摆放准确率为99%,摆放后角度偏差不大于10°,满足设计要求。该研究可为实现种粒的定向包装以及后续的定向播种提供参考。     

基于分级阈值和多级筛分的玉米果穗穗粒分割方法

为了有效克服果穗形状畸变和穗粒颜色差异对穗粒分割的影响,该文提出一种准确、鲁棒的玉米果穗穗粒分割方法。该方法利用果穗三维形状特征校正果穗径向畸变以最大程度恢复图像上果穗表面信息;采用分级阈值分割策略确定每颗穗粒最佳阈值范围,并利用穗粒几何特征实现穗粒初次筛分,消除穗粒间粘连效应;结合主成份分析和支持向量模型完成穗粒的二次筛分,生成果穗表面穗粒分布图。该方法整合了果穗径向畸变-分级阈值-穗粒多级筛分,实现果穗穗粒的精准分割,为玉米果穗自动化考种提供了基础方法。试验结果表明提出方法在穗粒分割准确性和鲁棒性上具有显著优势,平均计算效率达15 s/果穗。     

玉米高通量自动考种装置设计与试验

考种是玉米育种的重要环节,针对现有考种方法分别进行玉米果穗或玉米籽粒考种参数测量,难以满足玉米商业化育种过程大量样本自动考种需求的现状,该文设计了一种玉米高通量自动考种装置,主要包括玉米果穗考种单元、自动脱粒单元、玉米籽粒考种单元、后处理单元及系统控制单元,可实现玉米果穗考种、自动脱粒、籽粒考种、籽粒提升、籽粒封装、标签打印等全过程的自动化.依据设计方案进行原理样机试制及试验,结果表明:该装置可实现玉米穗质量、果穗长宽、穗行数、行粒数、秃尖区域、籽粒厚度、籽粒长、籽粒宽、穗粒数等考种参数的实时测量,且对果穗长、宽的平均测量精度分别为99.13％,99.25％、对籽粒数量的平均测量精度为99.39％.样机对单个玉米考种时耗时约为27.2 s,连续考种作业时处理速度达4穗/min.该研究为玉米高通量自动考种装备的实现提供了参考.     

Mycoflora Distribution in Dry‐Milled Fractions of Corn in Argentina

Corn samples and different commercial dry‐milled fractions collected from an industrial mill in Argentina were surveyed for fungal contamination. The percentage of Fusarium isolates in whole corn kernels among all fungi recovered was 2.0–97.0%; in corn grits, it was 2.6–50.0%. Maximum levels in the other fractions were 5.2 × 10⁵ colony forming units per gram (CFU/g) in germ and bran, 5.0 × 10³ CFU/g in C flour, and 2.7 × 10³ CFU/g in corn meal. The high initial contamination from whole corn is reflected in germ and bran, which is destined for animal consumption, but not in corn meal. F. verticillioides and Aspergillus flavus were the most frequent species in the whole corn kernel, but F. verticillioides was prevalent in all the other industrial fractions. Other potentially toxigenic fungi that were isolated included Aspergillus parasiticus, Alternaria alternata, Penicillium citrinum, and P. funiculosum. In this first report about mold contamination in corn industrial dry‐milled fractions in Argentina, the high fungal contamination level observed in the stored corn could indicate the necessity to improve the hybrid quality and the storage conditions to diminish the risk of mycotoxin occurrence.