基于关键质量点控制的玉米果穗考种装置.pdf

本发明公开了基于关键质量点控制的玉米果穗考种装置，包括多个玉米果穗载台、图像采集单元、补光单元和图像处理单元；所述玉米果穗载台的载物面颜色与玉米果穗颜色相区别，使图像采集单元采集的玉米果穗图像的噪声数据减少，并且玉米果穗载台四周还设置有畸变校正区。本发明的玉米果穗考种装置设置了多个玉米果穗载台，可以同时对多个玉米果穗进行考种，大大提高了考种效率。此外，玉米果穗载台的背景为与玉米果穗颜色有显著差异的颜色，以减少反光光圈和阴影，为采集的图像消除噪声；玉米果穗载台上还设置了畸变校正区，以消除远离图像采集单元的玉米果穗图像的图像畸变，提高考种精度。

权利要求书基于关键质量点控制的玉米果穗考种装置，其特征在于，包括多个玉米果穗载台、图像采集单元、补光单元和图像处理单元；所述玉米果穗载台用于承载并称重待测玉米果穗；所述图像采集单元用于采集多个玉米果穗载台上的待测玉米果穗图像；所述补光单元用于为图像采集照明；所述图像处理单元用于接收并处理所述图像采集单元采集的玉米果穗图像；所述玉米果穗载台的载物面颜色与玉米果穗颜色相区别，使图像采集单元采集的玉米果穗图像的噪声数据减少，并且玉米果穗载台四周还设置有畸变校正区。
根据权利要求1所述的玉米果穗考种装置，其特征在于，所述多个玉米果穗载台一字排开间隔设置，所述图像采集单元设置在所述多个玉米果穗载台中部的正上方，所述玉米果穗载台为长方形托盘，所述畸变校正区为设置在长方形托盘四条边上的黑色围圈区域。
根据权利要求1所述的玉米果穗考种装置，其特征在于，所述玉米果穗载台的载物面设置有深蓝色拍摄背景布。
根据权利要求1所述的玉米果穗考种装置，其特征在于，所述噪声数据为反光光圈和阴影。
根据权利要求1所述的玉米果穗考种装置，其特征在于，所述玉米果穗载台的载物面上还设置有对其上横放的玉米果穗进行限位的定位装置。
根据权利要求5所述的玉米果穗考种装置，其特征在于，所述定位装置为设置在所述玉米果穗载台四角并以玉米果穗载台上设置的重量传感器为中心的四根定位柱，定位柱间的间距根据玉米果穗的尺寸设定以将玉米果穗定位在其中。
根据权利要求1所述的玉米果穗考种装置，其特征在于，所述玉米果穗考种装置还设置有用于承载并称重玉米籽粒的玉米籽粒载台，所述玉米籽粒载台为长方形托盘，该长方形托盘中设置有标准籽粒摆放区和异形籽粒标记区。
根据权利要求1所述的玉米果穗考种装置，其特征在于，所述图像处理单元能够根据图像采集单元采集的图像以及所述玉米果穗载台和所述玉米籽粒载台采集的重量数据计算得到玉米果穗的基本性状。
根据权利要求8所述的玉米果穗考种装置，其特征在于，所述玉米果穗的基本性状包括穗行数、行粒数、穗粒数、穗长、穗直径、突尖长、穗轴长、穗轴直径、果穗体积、穗轴体积、穗重、穗轴重、籽粒颜色、籽粒长度、籽粒宽度、籽粒厚和百粒重。
根据权利要求9所述的玉米果穗考种装置，其特征在于，所述穗行数通过以下公式计算得到：
玉米穗行数=玉米籽粒的总粒数/行粒数，玉米籽粒的总粒数=（100×籽粒总重）/百粒重。

说明书基于关键质量点控制的玉米果穗考种装置
技术领域
本发明涉及玉米考种技术领域，尤指一种基于关键质量点控制的玉米果穗考种装置。
背景技术
玉米科研人员为了建立玉米资源库、开展玉米辅助育种实验，其中重要的一个环节是对玉米果穗材料性状的获取，也就是玉米果穗考种。玉米果穗的基本性状包括：穗行数、行粒数、穗粒数、穗长、穗直径、突尖长、穗轴长、穗轴直径、果穗体积、穗轴体积、穗重、穗轴重、籽粒颜色、籽粒长度、籽粒宽度、籽粒厚、百粒重、籽粒类型等多达20个指标。通常情况下，进行玉米科学实验，需要对上万份的玉米果穗材料进行考种。需要考种的玉米材料数量、所要测量的指标数以及对指标精度的要求，使得玉米果穗考种是一费时费力的系统工程。
目前，常见的考种方式有两种：人工考种和利用考种装置考种。对于小规模考种一般以人工考种为主，但人工考种有很多弊端，如：测量过程无法监控、考种指标太多、考种工序繁杂、人工成本太高、考种标准不统一等。对于大规模考种，玉米科研人员一般选择考种装置考种。玉米果穗考种装置是利用数字图像技术和传感器技术对玉米果穗各指标进行测量。通过摄像头采集玉米果穗、穗轴、籽粒图像数据，通过图像处理技术测量形态指标，通过重量传感器设备获取重量指标。
随着玉米自交系实验、玉米杂交实验等大面积科研实验的开展，使得玉米品种繁多、形态各异，以颜色划分有黄玉米、白玉米、黄白玉米、黑玉米、紫玉米、混合籽粒玉米（黄、白、黑、紫组合）；玉米果穗大小也不尽相同，最短的有5cm左右，最长的确有50cm;另外，玉米果穗的规整度也不尽相同，自交系品种玉米果穗上的籽粒多以杂乱分布。从而给机器考种机械设计和图像计算算法提出更高的要求。
目前，基于图像的考种装置对考种中的关键质量点控制不具有普适性，果穗的颜色、大小、规整度以及果穗的摆放位置均会制约考种装置的考种精度。同时，受光照影响而产生的采集图像背景噪声，由摆放随意而产生的图像畸变，由采集图像的不完全信息导致穗行数估算错误都给基于图像的考种测量带来误差。此外，现有的基于图像的考种装置一般只能对一根玉米果穗进行考种，考种效率低。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种能够同时提高考种效率以及考种精度的玉米果穗考种装置。
为实现上述目的，本发明的基于关键质量点控制的玉米果穗考种装置，包括多个玉米果穗载台、图像采集单元、补光单元和图像处理单元；所述玉米果穗载台用于承载并称重待测玉米果穗；所述图像采集单元用于采集多个玉米果穗载台上的待测玉米果穗图像；所述补光单元用于为图像采集照明；所述图像处理单元用于接收并处理所述图像采集单元采集的玉米果穗图像；所述玉米果穗载台的载物面颜色与玉米果穗颜色相区别，使图像采集单元采集的玉米果穗图像的噪声数据减少，并且玉米果穗载台四周还设置有畸变校正区。
进一步，多个所述玉米果穗载台一字排开间隔设置，所述图像采集单元设置在所述多个玉米果穗载台中部的正上方，所述玉米果穗载台为长方形托盘，所述畸变校正区为设置在长方形托盘四条边上的黑色围圈区域。
进一步，所述玉米果穗载台的载物面设置有深蓝色拍摄背景布。
进一步，所述噪声数据为反光光圈和阴影。
进一步，所述玉米果穗载台的载物面上还设置有对其上横放的玉米果穗进行限位的定位装置。
进一步，所述定位装置为设置在所述玉米果穗载台四角并以玉米果穗载台上设置的重量传感器为中心的四根定位柱，定位柱间的间距根据玉米果穗的尺寸设定以将玉米果穗定位在其中。
进一步，所述玉米果穗考种装置还设置有用于承载并称重玉米籽粒的玉米籽粒载台，所述玉米籽粒载台为长方形托盘，该长方形托盘中设置有标准籽粒摆放区和异形籽粒标记区。
进一步，所述图像处理单元能够根据图像采集单元采集的图像以及所述玉米果穗载台和所述玉米籽粒载台采集的重量数据计算得到玉米果穗的基本性状。
进一步，所述玉米果穗的基本性状包括穗行数、行粒数、穗粒数、穗长、穗直径、突尖长、穗轴长、穗轴直径、果穗体积、穗轴体积、穗重、穗轴重、籽粒颜色、籽粒长度、籽粒宽度、籽粒厚和百粒重。
进一步，所述穗行数通过以下公式计算得到：
玉米穗行数=玉米籽粒的总粒数/行粒数，玉米籽粒的总粒数=（100×籽粒总重）/百粒重。
本发明的玉米果穗考种装置设置了多个玉米果穗载台，可以同时对多个玉米果穗进行考种，大大提高了考种效率。此外，玉米果穗载台的背景为与玉米果穗颜色有显著差异的颜色，以减少反光光圈和阴影，为采集的图像消除噪声；玉米果穗载台上还设置了畸变校正区，以消除远离图像采集单元的玉米果穗图像的图像畸变，提高考种精度。
附图说明
图1为本发明的玉米果穗考种装置的示意图；
图2为本发明的玉米果穗载台的立体图；
图3为本发明的玉米果穗载台的俯视图；
图4为本发明的玉米籽粒载台的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不限制本发明的范围。
如图1所示，本发明的基于关键质量点控制的玉米果穗考种装置，包括外壳1，外壳内1设有玉米果穗载台2、工业相机4和两个LED补光灯5和图像处理器（图中未示出）；多个玉米果穗载台2一字排开间隔设置在外壳1底部，工业相机4设置在外壳1顶部，位于多个玉米果穗载台2所在排的中部正上方，其在外壳1内的安装高度以及横向位置可以根据外壳1底部玉米果穗载台2的数量预先设定好，需要保证工业相机4可以拍摄到每一个玉米果穗载台2上的待测玉米果穗；两个LED补光灯5分置于工业相机4两侧；玉米果穗载台2用于承载并称重待测玉米果穗；工业相机4用于采集玉米果穗载台2上的待测玉米果穗图像；LED补光灯5用于为图像采集照明；所述图像处理单元用于接收并处理工业相机4采集的每一个玉米果穗载台2上的玉米果穗图像；为了便于区分载物面上的待测玉米果穗，玉米果穗载台2的载物面颜色与待测玉米果穗颜色相区别，使工业相机4采集的玉米果穗图像的噪声数据减少。由于果穗主要由黄、白、黑、紫四种颜色以及其组合颜色组成，要求载物台背景颜色必须在此之外；从环境光方面分析，由LED补光灯5照射在果穗上，会产生两种噪声数据：反光光圈和阴影，为减少这两种噪声，应采用拍摄背景布作为托盘背景，结合颜色要求，采用深蓝色的拍摄背景布作为载物面背景。另外，本发明为了考种效率的考虑，考种装置中设置了多个玉米果穗载台2，工业相机4可以同时采集每一个玉米果穗载台上待测玉米果穗的图像，然而工业相机4采集到的远离工业相机4玉米果穗载台上的果穗图像会产生图像畸变效果，影响测量精度，通过在玉米果穗载台2四周设置畸变校正区，为畸变校正提供基础。
在用CCD摄像机采集图像时,由于受景物对象与CCD摄像机三维空间相对位置关系、光学镜头畸变以及CCD摄像机质量等因素的影响,其采集的图像中象素之间的空间关系会发生变化，即在图像采集和测量中图像产生了几何失真或几何畸变，用一标准图案作为标定图像，采集含该标准定标图案的图像并计算该标准定标图案的图像像元数,由于标准图案的实际面积为已知，故可算出在该位置处的定标系数(即每个像元的长度当量和面积当量)，利用标准定标块的长度和宽度是一个不变量作为比较判据对图像进行畸变校正，在畸变校正的过程中，必须通过边缘检测法确定标准定标块的边缘，然后才能判定标准定标块在所采集的图像中发生的畸变程度，其中边缘位置的精确定位对高精度测量图像具有很大的影响。在本考种装置中玉米果穗载台四周设置的畸变校正区即为标准定标块。
如图2和3所示，玉米果穗载台2为长方形托盘，所述畸变校正区以长方形托盘的四条边21作为畸变校正参照物，闭合的四条边21设置为纯黑色，定义校正托盘的长边为30cm，宽边为10cm。对于单面采集的图像，采集的果穗面对计算指标影响很大，考种人员选择比较规整面进行考种测量，即没有大面积的缺粒、乱行，为了玉米果穗横放在果穗托盘上不会随意移动，在果穗托盘上安装四根定位柱22，四根定位柱22设置在果穗托盘四角并以果穗托盘上设置的重量传感器为中心，定位柱22间的间距根据玉米果穗的尺寸设定以将玉米果穗定位在其中。
如图1和4所示，外壳1内还设置有用于承载并称重玉米籽粒的玉米籽粒载台3，玉米籽粒载台3位于玉米果穗载台2的上方，该玉米籽粒载台3也为长方形托盘，玉米籽粒托盘3铰接在外壳一侧内壁，在采集玉米果穗图像时，可以将玉米籽粒托盘3翻起，在采集玉米籽粒图像时，将玉米籽粒托盘3平放。玉米籽粒托盘中设置有标准籽粒摆放区32和异形籽粒标记区31，异形籽粒标记区31可以通过四条闭合的黑边围成也可以通过其他方式设置，通常情况下籽粒的长度大于宽度，但对于有些玉米品种却相反，为了避免籽粒长宽指标测量颠倒导致的误差，将籽粒长宽颠倒的异形籽粒按照统一的规则预先摆放至异形籽粒标记区31，即以横向为籽粒宽纵向为籽粒长原则，对于长宽标准的籽粒可以随意摆放在标准籽粒摆放区32。
基于单面图像所导致的图像信息不完全性和由多面图像拼接所导致的边界误差，即同一行籽粒出现在两个侧面上，都会导致穗行数指标误差比较大，玉米果穗穗行数为偶数的特性，进一步放大了误差系数，对于穗行数为16行的玉米果穗，如果出现误差，最小的误差为2，误差率高达12.5%，远远大于误差有效范围3%。本发明的图像处理单元能够利用模型约束方法控制穗行数测量指标的误差，其是利用有效测量指标推导穗行数指标。根据重量传感器测量得出果穗重量、穗轴重量，从而可以得到所有籽粒重量；图像处理单元基于图像的技术容易获取行粒数，籽粒个数。通过重量传感器测量得出籽粒百粒重；那么玉米果穗的籽粒数（总粒数）=（100×籽粒总重）/百粒重，那么玉米穗行数=总粒数/行粒数。
本发明的考种装置可以同时对多个玉米果穗进行考种，并且对基于图像技术和传感技术玉米考种系统考种测量过程的几个关键质量点进行约束控制，确保考种过程在严格的质量控制下进行，使所有测量参数在误差范围之内。