基于机器视觉的玉米果穗性状参数测量方法研究

在玉米育种、田间测产和提高玉米产量的过程中,均需要对玉米果穗考种,即需要对玉米果穗的穗长、穗粗、穗行数、行粒数和穗粒数等性状参数进行测量。人工考种不仅花费大量的人力物力,而且在考种过程中普遍存在人工劳动强度大、观测效率低、人为干扰导致测试结果不客观及不准确等问题,在很大程度上限制了考种的速度与精度。针对上述问题,利用所研制的自动考种设备和机器视觉方法,通过USB工业相机获取玉米果穗单面性状彩色图像,利用|B-R|模型、（G+B）/2模型将彩色图像分别进行灰度化,利用改进后的一维最大熵阈值分割方法对灰度图像进行二值化,分别得到果穗轮廓二值图像和果穗特征二值图像;通过轮廓二值图像计算果穗放置后的倾斜角,实现果穗轮廓二值图像和特征二值图像的自动纠偏;通过相机标定,得到单位像素对应的实际值,进而得到穗长及穗粗;通过提取局部籽粒特征二值图像,利用水平黑背景点扫描及对扫描曲线的修正获取穗行宽度,通过穗行数修正模型得到果穗的穗行数;通过提取局部单行籽粒特征二值图像,利用垂直黑背景点扫描及对扫描曲线的修正得到行粒数;根据行粒数和穗行数得到穗粒数。试验结果表明,穗长和穗粗平均测量精度分别为98.05%和97.99%,穗行数测量正确率为95%,行粒数平均测量精度为96.29%,穗粒数平均测量精度为95.67%,和实际值相比,穗粗、穗长、行粒数及穗粒数的测量值差异无显著性。单穗玉米果穗机器视觉平均测量速度为600ms/穗,考种设备测量速度为6s/穗,能够满足自动考种设备的使用需求。     

基于CT图像和RAUNet-3D的玉米籽粒三维结构测量

玉米籽粒构成和精细结构与玉米产量及品质直接相关。本文提出一种基于CT图像的玉米籽粒三维结构自动测量方法,快速提取、统计玉米籽粒成分和结构性状,评估不同玉米品种籽粒间性状差异。首先,利用Micro-CT获取批量玉米籽粒CT图像,通过Watershed算法准确分割出单颗籽粒;进而,设计基于注意力机制RAUNet-3D网络准确提取出籽粒胚;最后,建立自动化玉米籽粒表型管道,计算籽粒、胚、胚乳和空腔的共23项性状,用于玉米籽粒性状分析和品种鉴定。选取4个玉米品种籽粒（登海605、京科968、先正达408和农华5号）共120颗籽粒进行验证,结果表明籽粒CT扫描成像效率提高到1min/粒,籽粒表型提取效率为10s/粒,胚分割精度可达93.4%,粒长、粒宽和粒厚的R2分别为0.902、0.926和0.904,籽粒品种分类精度达90.4%。本文方法实现了玉米籽粒及其胚、胚乳、空腔三维结构无损、快速测量,提取的性状能够表征不同玉米品种籽粒间表型差异,为开展大规模玉米籽粒三维表型鉴定奠定了基础。     

玉米籽粒考种信息获取装置设计与试验

考种是制约育种效率的关键环节。玉米高通量考种过程,存在籽粒堆积和粘连现象,影响籽粒考种参数的提取。本文结合玉米高通量自动考种需求,设计了籽粒考种信息获取装置。通过分析堆积籽粒回旋运动过程的受力情况并根据试验情况确定振动平台回旋速度,实现籽粒的平铺摊种。在此基础上,针对粘连籽粒图像提出了一种先分割后融合的改进分水岭算法,该方法通过比较相邻分割区域极小值与最小分水岭的差值与设定的阈值T,进行邻域融合,对过分割区域进行合并,实现粘连籽粒的准确分割,分割完成后,统计籽粒个数,并基于Graham扫描法建立单个籽粒的最小外接矩形,获取籽粒长宽参数。在构建的玉米籽粒自动考种装置上进行动态试验,结果表明,本文所提出的方法可实现玉米粘连籽粒的准确分割,单穗玉米籽粒计数正确率不低于98.05%,籽粒平均长宽与人工测量结果的决定系数R~2在0.97以上,满足自动考种在线检测的需求。     

玉米果穗粘连籽粒图像分割方法

为了对基于图像的玉米果穗穗粒数进行更精确的计算,给出了一种新的粘连籽粒图像分割方法。对粘连二值图像进行轮廓平滑和欧氏距离变换,将粘连籽粒的距离变换图视为地形学上的地形图,以地形图中的山谷线作为粘连二值图像的分割线。将欧氏距离变换图像的边界像素点视作水源点,根据山谷形态两边高、中间低的地形趋势设定水流的行进规则,使得水流在遇到山坡时自动绕行,但在遇到谷口点时可沿山谷线流动,从而将粘连籽粒分割开。该方法对单个未粘连籽粒不产生影响,不必在分割操作前依靠人工设定阈值进行籽粒是否粘连的判断,可以作为籽粒是否存在粘连的判断方法。用该方法对442个含不同粘连情况的籽粒连通分量进行判断与分割测试,粘连判断准确率为99.7%,粘连籽粒的分割准确率为94.9%。     

玉米籽粒内部组分低对比度透射图像精确分割研究

为解决玉米籽粒透射图像由于对比度较低造成内部组分提取不精确的问题,提出一种基于色彩通道非线性变换的多通道重叠区域分割方法,对玉米籽粒图像在灰度、R通道及b通道下得到的二值图像使用重叠区域原理,实现玉米籽粒组分的精确分割。首先,采集不同玉米品种的籽粒透射图像,提取单粒玉米籽粒;其次,采用多通道重叠区域法分割单粒籽粒图像,得到玉米籽粒胚部、角质胚乳和粉质胚乳3部分的图像;最后,以查全率和查准率评价多通道重叠区域法与传统图像分割方法对不同品种玉米籽粒的分割效果。不同品种玉米籽粒的分割试验表明:多通道重叠区域分割方法的查全率、查准率及综合评价指标均达到98%以上,分割效果优于传统的图像分割方法,能够实现不同品种透明角质玉米籽粒透射图像的精确组分分割。     

小区玉米收获机摘穗装置的设计

为解决小区玉米摘穗时果穗损失率高、籽粒破碎高率等问题,研制了一种摘穗装置。该装置采用可调式板式摘穗机构,利用摘穗板仿形及表面喷塑处理,能够大大降低育种玉米割台摘穗过程中的果穗损失率和籽粒破碎率。室内台架试验和田间试验结果表明:该摘穗装置的果穗损失率为1.22%,籽粒破碎率为0.86%,与其他同类装置相比果穗损失率和籽粒破碎率分别降低了18%和21%。该研究为小区玉米收获割台的优化提供了有益的借鉴和理论支撑。     

基于多种深度学习算法的田间玉米籽粒检测与计数

为快速准确获取玉米收获过程中遗失籽粒数信息,进行收割损失调节等管理,对比评估了单阶段和两阶段主流目标检测网络对田间玉米籽粒计数的性能。首先,利用RGB相机获取包含不同背景和不同光照的图像数据,并进一步生成数据集;其次,构建籽粒识别的不同目标检测网络,包括Mask R-CNN、EfficientDet-D5、YOLOv5-L、YOLOX-L,并利用所采集的420幅有效图像对构建的四种网络进行训练、验证、测试,图像数分别为200、40和180幅;最后,依据测试集图像的识别结果进行籽粒计数性能评价。试验结果表明,YOLOv5-L网络对测试集图像检测的平均精度为78.3%,模型尺寸仅为89.3 MB;籽粒计数的检测正确率、漏检率和F₁值分别为90.7%、9.3%和91.1%,处理速度为55.55 f/s,识别与计数性能均优于Mask R-CNN、EfficientDet-D5和YOLOX-L网络,并对具有不同地表遮挡程度和籽粒聚集状态的图像具有较强的鲁棒性。深度学习目标检测网络YOLOv5-L可实现实际作业中玉米收获损失籽粒的实时监测,精度高、适用性强。     

基于计算机视觉的玉米籽粒形态测量

为了提高玉米籽粒形态测量的精度与自动化程度,提出一种应用计算机视觉技术对玉米籽粒进行图像获取与形态测量分析的新方法.通过流域分割、轮廓线提取、像素点计数获得籽粒投影面积、周长和长短轴等形态描述指标,并建立了籽粒投影面积与籽粒质量的回归方程.计算机视觉技术为玉米籽粒形态测量与评价提供了一个新途径.     

玉米籽粒形状特征检测技术研究——基于图像处理

玉米籽粒形状特征是玉米品质和品种判定的重要依据,利用机器视觉代替人的视觉对玉米籽粒品种或品质的自动检测是发展的必然趋势。为此,通过图像获取、颜色空间转换、图像分割、形态学处理、单籽粒图像的定位和拾取、特征参数提取等步骤实现了对玉米籽粒图像的特征提取。所采用的算法简洁、有效,对下一步玉米籽粒的自动检测工作具有重要的实际意义。     

基于归一化冠层覆盖系数的玉米果穗发育动态估算

为解析宁夏滴灌玉米冠层图像参数与果穗形态参数间的内在联系,提出了一种采用作物冠层图像特征参数拟合玉米果穗生长发育动态的数学方法,建立玉米灌浆期果穗发育动态估算模型,实现了基于作物冠层数字图像处理技术的玉米果穗形态无损监测。用手机相机获取不同氮素处理下滴灌玉米灌浆期的冠层图像,提取玉米灌浆期冠层图像特征参数,测定玉米穗长、穗粗和穗体积等形态参数;运用R语言进行相关性分析,其中归一化冠层覆盖系数(Cc)与玉米果穗形态参数相关性高,运用Origin软件建立Cc与果穗形态参数间的估测模型,通过R2、RMSE和nRMSE评价估测模型的精度。结果表明,Cc与玉米穗长、穗粗、穗体积等形态参数均满足指数函数关系,其中Cc与穗长的预测精度最高,决定系数R2达到0. 714,与穗粗的预测精度次之,R2为0. 601,与穗体积的R2为0. 575。由模型检验与评价结果可知,Cc与玉米果穗形态各参数间精度较高,其中R2均不小于0. 523,穗体积RMSE的值均不大于68. 986 cm3,nRMSE均不大于33. 621%。这表明基于冠层图像归一化覆盖系数的玉米果穗生长发育动态的估算具有一定的实用性,可为果穗形态参数估算和大面积玉米无损监测提供参考。     

基于边缘检测与扫描滤波的农机导航基准线提取方法

为了实时、准确地提取作物行基准线,提出了一种将边缘检测和扫描滤波(Boundary detection and scan filter, BDSF)相结合的基准线提取方法。首先对RGB颜色空间采用G-R颜色特征因子进行图像灰度化,再采用最大类间方差法（OSTU）对灰度图像进行分割,得到二值化图像,获取较好的作物信息。然后分别对图像的底端和顶端部分进行垂直投影,获取作物行的位置,形成一个包含作物行直线的条形框;在这个条形框内,再用等面积的小条形框对图像进行扫描并统计有效点的个数。最后根据扫描的结果来提取导航线。试验结果表明,对比Hough算法和最小二乘法(Least square method, LSM),BDSF算法处理一幅分辨率为640像素×480像素的图像,平均耗时为67ms,与LSM算法耗时相当,精度接近Hough算法;并且在杂草和株数稀缺情况下具有良好的适应性,能够快速准确地提取作物行基准线。     

拔节期淹水与施氮量互作对春玉米生长和产量的影响

【目的】研究拔节期淹水与不同施氮量对春玉米生长和产量的影响。【方法】通过田间试验,选用春玉米宜单9号为试验材料,两因素裂区试验设计,主处理为土壤水分状况,包括正常供水和拔节期淹水6 d(保持水层3～5cm),副处理为5个氮肥水平,施氮量(以纯N计)分别为0、90、180、270和360 kg/hm~2。测定春玉米株高、叶面积和成熟期籽粒产量及其构成。【结果】施纯氮在0～270 kg/hm~2,拔节期淹水条件下施氮量增加时春玉米大喇叭口至乳熟期叶面积指数(LAI)、株高、穗长、穗行数、行粒数、千粒质量和籽粒产量均增加,施氮量进一步增加时上述指标增加不明显。而秃尖长随施氮量的增加而减小。与不施氮相比,拔节期淹水下施氮量90、180、270和360 kg/hm~2的春玉米产量分别增加20.21%、31.86%、52.55%和57.03%;增幅高于正常供水的相应值。【结论】施氮量为0～270kg/hm~2,拔节期淹水胁迫下施氮有利于促进春玉米生长并提高产量。     

基于机器视觉的玉米单倍体自动分选系统

针对导入基因标记后杂交诱导产生的玉米籽粒,设计了一套基于计算机视觉的玉米单倍体高通量自动分选系统。系统主要由传动部件、斜面翻滚部件、信号采集与处理部件,以及籽粒分选部件4部分组成。斜面翻滚部件表面有凹凸纹理,可使玉米籽粒在下落翻滚过程中产生多种姿态,试验使用这一方法获得含胚面图片的成功率达90%。信号采集与处理部件通过提取玉米籽粒胚面的SIFT特征来判断籽粒属性,并将属性结果发送给籽粒分选部件,分选部件根据结果控制直线滑台的运动以实现籽粒筛选。试验结果表明:系统对单倍体的正确识别率为95%,可很好地实现玉米单倍体的自动分选。     

玉米种子脱粒过程高速摄影观察分析

为优化差速式玉米种子脱粒机脱粒系统的有关参数,进而降低玉米种子在脱粒过程中的损伤,采用高速摄影方法对单个玉米果穗喂入与脱粒过程进行了观察分析.分析结果表明:果穗在开始喂入阶段,籽粒破碎大;在脱粒起始阶段,果穗撞击强烈,越到后段,撞击越弱;果穗在正常脱粒情况下,脱下籽粒多,籽粒运动轨迹可近似为沿直辊与果穗接触点的切线方向;而果穗非正常脱粒情况下,脱下籽粒少,籽粒运动规律呈杂乱状态,没有一定飞行方向;螺旋辊的转速偏大造成果穗的非正常脱粒加大,果穗的非正常脱粒会影响果穗的脱粒质量和脱粒效率.     

玉米籽粒冲击破碎中的Ab-T10破碎模型参数标定

针对基于离散元法的玉米粉碎过程仿真研究中缺乏准确模型的问题,本文以玉米籽粒为研究对象,设计搭建了颗粒物料冲击破碎试验装置,运用切片法构建了适用于Ab-T10破碎模型的玉米籽粒凸面体模型,开展了玉米籽粒的Ab-T10破碎模型参数标定和玉米籽粒的冲击破碎特性研究。以破碎概率和t10为冲击破碎特性评价指标,开展了5种不同含水率玉米籽粒的冲击破碎试验。试验结果表明,玉米籽粒的破碎概率和t10随着冲击比能增加而增加,随着玉米籽粒含水率的增加而减小,临界破碎速度随着玉米籽粒含水率的增加而增加;以Ab-T10破碎模型中破碎概率和t10的理论公式对玉米籽粒冲击破碎试验数据进行了拟合（R2adj高于0.86）,确定理论公式中参数值,实现了玉米籽粒Ab-T10破碎模型的参数标定。以构建的籽粒模型和标定的Ab-T10破碎模型参数进行粉碎仿真试验,结果表明,不同含水率玉米籽粒的粒径累计分布规律的实测值与仿真值具有较好的一致性,粉碎后颗粒平均粒径的实测值与仿真值相对误差低于6.54%,说明构建的玉米籽粒模型和标定的Ab-T10破碎模型参数可以表征玉米籽粒冲击粉碎过程。     

不同灌溉制度对制种玉米产量和阶段耗水量的影响

通过田间试验研究了相同灌水定额(900 m³/hm²)条件下,不同灌水次数(0,2,3,4次)对制种玉米生育期土壤水分分布特征、耗水规律以及产量影响.结果表明,不同灌溉制度主要影响作物拔节后0~100 cm土壤水分分布.相同灌溉定额条件下,灌水时间影响制种玉米的穗行数、行粒数产量特征值.各处理耗水强度均呈“低、高、低”的变化趋势,峰值主要出现在制种玉米抽雄期-灌浆期.制种玉米各生育阶段对缺水的敏感程度由大到小依次为灌浆期、拔节期、苗期、乳熟期、抽雄期.在西北干旱半干旱地区,制种玉米苗期-拔节期、拔节期-抽雄期、抽雄期-灌浆期进行3次灌水,灌水定额为900 m³/hm²,灌溉定额为2 700 m³/hm²的灌溉制度具有明显的经济产量效益和节水效益.