數粒儀機器視覺數種系統的開發

    在種子培育等工作過程中,經常會遇到對種子進行計數這樣的繁瑣而枯燥的工作,現有的數種儀器裝置如文獻中所研制的種子數粒儀等,對不同大小的顆粒進行計數時要更換儀器的部分零部件,不僅操作麻煩,而且費用較高,因此數種子這樣的工作通常還只是人工進行,效率很低,不利于農業生產自動化的發展。
    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域中一個舉足輕重的部分。計算機圖像處理技術是機器視覺的重要理論基礎,是計算機應用進入信息處理領域后的產物。隨著計算機技術的不斷發展,以及圖像信息的普遍性和重要性,計算機圖像處理技術在近年來得到了非常迅速的發展和廣泛的應用。虛擬儀器是基于PC機的測控儀器,在工業、農業、通信、交通等領域有著廣泛的應用。更重要的是虛擬儀器中應用最為廣泛的LabView軟件開發平臺提供了高水平的機器視覺和圖像處理軟件包IMAQ Vision,極大的節約了程序開發時間,因此把虛擬儀器技術應用于機器視覺系統中將解決傳統系統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,開發了準確率高,使用方便的機器視覺數種系統。
    2 種子數粒儀系統硬件結構設計
    該種子數粒儀系統在整體硬件結構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,總體結構如圖1所示。
    考慮到圖像采集的精度及處理效果,本系統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量的主要因素之一,因此本系統在光源選擇上采用照明效果較佳的LED光源,將LED光源呈環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:由于本系統進行測量的對象是靜態物體,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軟件平臺LabView和圖像處理軟件平臺IMAQ Vision軟件包而開發了IMAQ PCI-1408,IMAQ PCI-1409,IMAQ PCI-1411等一系列快速模-數轉換高質量視頻采集卡,他們可以充分利用計算機的PCI總線的功能,完成圖像的高質量采集、數據變換和傳輸。NI IMAQ驅動軟件包中包括多種快速圖像采集接口的多種驅動程序,可以從該應用程序庫中直接調用庫函數,對視頻制式、圖像采集、內存緩沖、觸發控制、板卡控制、接收存儲等進行編程。本文在進行機器視覺數種系統的開發過程中,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 種子數粒儀系統工作原理
    待測種子放置在電磁震動工作臺上,經震動后使種子較均勻平鋪,為了提高準確率,應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,模擬信號的圖像數據經圖像采集卡進行模數轉換成數字圖像數據后傳遞給PC機。在PC機上基于虛擬儀器軟件開發平臺LabVIEW 7.1及其強大的圖像處理功能軟件包IMAQ VISION進行機器視覺數種系統軟件開發,數字圖像數據通過該軟件進行圖像處理、分析等操作后得出測量結果,并在顯示器上顯示出來。
    4 種子數粒儀系統的軟件開發
    該種子數粒儀系統是在LabView7.1操作平臺上應用IMAQ Vision圖像處理軟件包進行開發的。LabVIEW7.1是一個高效的圖形化程序設計環境,是虛擬儀器開發平臺。它的功能非常強大,能夠勝任大多數測量任務。它結合簡單易行的圖形開發環境與靈活強大的G編程語言,并利用其容易與C/C++和匯編語言接口的特點,可迅速開發出有關數據采集分析及顯示的方案。利用LabVIEW內置的TCP/IP協議組和圖形化的通訊模型,就可以利用多種設備進行數據采集。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優化函數,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 數粒儀系統軟件功能介紹
    根據用戶對本系統的功能需求,對操作界面進行設計,如圖2所示。
    其中數據存儲信息中有測量工作的操作者姓名、時間、種子個數等基本信息,點擊保存按鈕便可將信息存儲在特定名稱的數據庫文件中,操作者可以對該數據庫文件進行操作編輯,以方便與其它數據進行共同使用。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。點擊計數按鈕后將在左側顯示經二值化及其他必要圖像處理過程后的圖片,并且在種子個數欄中顯示測量結果。點擊關于按鈕將彈出有關該軟件的一些重要信息。點擊幫助按鈕,將調出一個用word文檔格式編輯的幫助文件,用戶可對軟件應用中的一些問題進行查詢參閱。
    4.2 系統軟件設計
    本系統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和前提,其功能是驅動IMAQPCI-1411圖像采集卡將攝像機所拍攝下來的圖像信號轉換為數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,需要進一步的預處理,使要檢測的物體從無關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為0,大于該灰度閾值的像素設為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將背景上的信息歸于被測物。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,本系統在盛裝種子的背景顏色上選擇黑色,根據灰度直方圖的特性分析,從圖中可以得到閾值設置的信息,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,這樣就會使測量結果不精確甚至是得出錯誤結果。鑒于此本系統采用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,這樣在統計顆粒個數時還是會有產生錯誤,因此在圖像處理算法中又加入一個根據顆粒面積進行計數的方法,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 系統評價
    用本系統對幾種不同大小的種子進行數次試驗,數據如表所示,結果表明真空數粒儀系統不僅準確率很高、操作簡單、測量時間短,而且解決了其他相關儀器對種子大小有要求的弊端。
    6 結論
    根據機器視覺原理在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進行了機器視覺數種系統的開發,經試驗表明本系統測量結果準確,操作效率高。最重要的是本系統可擴展性較強.本文所實現的只是一個基本功能,可以在此基礎上進行出芽率、質量、凈度等測量功能擴展,而且不需要額外添加硬件,使開發成本降低。
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