数粒仪机器视觉数种系统的开发

    在种子培育等工作过程中,经常会遇到对种子进行计数这样的繁琐而枯燥的工作,现有的数种仪器装置如文献中所研制的种子数粒仪等,对不同大小的颗粒进行计数时要更换仪器的部分零部件,不仅操作麻烦,而且费用较高,因此数种子这样的工作通常还只是人工进行,效率很低,不利于农业生产自动化的发展。
    人们对生理视觉重要性的认识使得机器视觉成为智能计算机研究领域中一个举足轻重的部分。计算机图像处理技术是机器视觉的重要理论基础,是计算机应用进入信息处理领域后的产物。随着计算机技术的不断发展,以及图像信息的普遍性和重要性,计算机图像处理技术在近年来得到了非常迅速的发展和广泛的应用。虚拟仪器是基于PC机的测控仪器,在工业、农业、通信、交通等领域有着广泛的应用。更重要的是虚拟仪器中应用最为广泛的LabView软件开发平台提供了高水平的机器视觉和图像处理软件包IMAQ Vision,极大的节约了程序开发时间,因此把虚拟仪器技术应用于机器视觉系统中将解决传统系统所无法达到的高效性和可靠性。本文利用LabView和IMAQ Vision进行图像处理的技术,开发了准确率高,使用方便的机器视觉数种系统。
    2 种子数粒仪系统硬件结构设计
    该种子数粒仪系统在整体硬件结构上主要包括电磁震动工作台、摄像头及灯光、图像采集卡、PC机,总体结构如图1所示。
    考虑到图像采集的精度及处理效果,本系统的硬件进行如下配置:220倍彩色一体化摄像机配备LED光源,IMAQ PCI-1411图像采集卡,PC机。LED光源:照明效果是影响图像质量的主要因素之一,因此本系统在光源选择上采用照明效果较佳的LED光源,将LED光源呈环形围绕在摄像头的周围,这样保证了摄像头和光源的轴线都与工作台面垂直。摄像机:由于本系统进行测量的对象是静态物体,所以对摄像机的要求不是很高,因此选择220倍彩色一体化摄像机,811(H)494(V)图像像素,最低照度0.1LUX,信噪比大于48dB。图像采集卡:美国National Instrument公司为配合虚拟仪器开发软件平台LabView和图像处理软件平台IMAQ Vision软件包而开发了IMAQ PCI-1408,IMAQ PCI-1409,IMAQ PCI-1411等一系列快速模-数转换高质量视频采集卡,他们可以充分利用计算机的PCI总线的功能,完成图像的高质量采集、数据变换和传输。NI IMAQ驱动软件包中包括多种快速图像采集接口的多种驱动程序,可以从该应用程序库中直接调用库函数,对视频制式、图像采集、内存缓冲、触发控制、板卡控制、接收存储等进行编程。本文在进行机器视觉数种系统的开发过程中,采用的是IMAQ PCI-1411,它是一个单通道彩色图像或单色图像采集卡,与来自标准彩色相机的模拟视频图像兼容,支持外部时钟和同步输入。种子数粒仪与多媒体的0帖获取0不同的是,IMAQ PCI-1411的特点在于它提高了图像采集吞吐量和处理能力。PC机:对于个人计算机的配置无过多特别要求,只要是标准配置即可。
    3 种子数粒仪系统工作原理
    待测种子放置在电磁震动工作台上,经震动后使种子较均匀平铺,为了提高准确率,应尽量避免种子之间重叠。固定在电磁震动工作台上的摄像头在良好的LED光源的光照条件下对平铺后的种子进行图像拍摄,模拟信号的图像数据经图像采集卡进行模数转换成数字图像数据后传递给PC机。在PC机上基于虚拟仪器软件开发平台LabVIEW 7.1及其强大的图像处理功能软件包IMAQ VISION进行机器视觉数种系统软件开发,数字图像数据通过该软件进行图像处理、分析等操作后得出测量结果,并在显示器上显示出来。
    4 种子数粒仪系统的软件开发
    该种子数粒仪系统是在LabView7.1操作平台上应用IMAQ Vision图像处理软件包进行开发的。LabVIEW7.1是一个高效的图形化程序设计环境,是虚拟仪器开发平台。它的功能非常强大,能够胜任大多数测量任务。它结合简单易行的图形开发环境与灵活强大的G编程语言,并利用其容易与C/C++和汇编语言接口的特点,可迅速开发出有关数据采集分析及显示的方案。利用LabVIEW内置的TCP/IP协议组和图形化的通讯模型,就可以利用多种设备进行数据采集。且所编辑的软件程序界面友好简单,富于个性化,不像真实地操作仪器那样死板。IMAQ Vision是可以嵌入到LabVIEW、LabWindows/CVI等软件开发平台中的功能强大的图像处理软件包,其中包括400多个MMX优化函数,可以完成对计算机图像信息进行采集、传递、处理、分析等一整套功能。
    4.1 数粒仪系统软件功能介绍
    根据用户对本系统的功能需求,对操作界面进行设计,如图2所示。
    其中数据存储信息中有测量工作的操作者姓名、时间、种子个数等基本信息,点击保存按钮便可将信息存储在特定名称的数据库文件中,操作者可以对该数据库文件进行操作编辑,以方便与其它数据进行共同使用。点击图片下载按钮可下载通过摄像头采集过来的灰度图片。点击计数按钮后将在左侧显示经二值化及其他必要图像处理过程后的图片,并且在种子个数栏中显示测量结果。点击关于按钮将弹出有关该软件的一些重要信息。点击帮助按钮,将调出一个用word文档格式编辑的帮助文件,用户可对软件应用中的一些问题进行查询参阅。
    4.2 系统软件设计
    本系统软件在功能上主要包括图像采集模块、图像处理模块、图像分析模块。
    4.2.1 图像采集模块
    这个模块是其他模块的基础和前提,其功能是驱动IMAQPCI-1411图像采集卡将摄像机所拍摄下来的图像信号转换为数字信号后传递给计算机。
    4.2.2 图像处理模块
    (1)图像二值化处理
    采集到的图像由于照明、噪音以及摄像机等因素的存在直接影响着测量精确度,需要进一步的预处理,使要检测的物体从无关紧要的背景中分离出来,滤除不利因素。二值化处理是通过对采集图像中小于某一灰度阈值的像素设为0,大于该灰度阈值的像素设为1,把待测种子和背景分离开来。阈值的正确选择很重要,选择不当则可能将被测物上的信息归于背景或将背景上的信息归于被测物。另外,图像二值化后,使图像的每像素只占一位,使得算法简单快速。通常情况下阈值的选择采用手动方式,经过很多次尝试性操作来确定阈值,这样选择的阈值不够准确,使操作不能达到预期的效果。本文采用IMAQ VISION软件包中提供的/Histo-graph0控件画出离散灰度直方图,为了使阈值的选择更准确,本系统在盛装种子的背景颜色上选择黑色,根据灰度直方图的特性分析,从图中可以得到阈值设置的信息,选择100.5到255之间的像素为1,其他为0。这种方法确定的阈值准确率高,使二值化处理精确。
    (2)图像形态修正
    由于种子在操作台上平铺时不能保证种子之间完全分开和其他因素使得经过二值化后的图像不能使每一个种子显示为一个颗粒,这样就会使测量结果不精确甚至是得出错误结果。鉴于此本系统采用IMAQ VISION软件包中提供的/IMAQ Sepa-ration0算法将连在一起的两个颗粒分离开,/IMAQ RemovePar-ticle0算法将一些通过二值化后没有与颗粒分离开的背景去掉。
    4.2.3 图像分析模块
    经过以上操作后的图像还是会有一些颗粒连在一起,这样在统计颗粒个数时还是会有产生错误,因此在图像处理算法中又加入一个根据颗粒面积进行计数的方法,即运用IMAQ VI-SION软件包中提供的/IMAQ Particle Analysis0算法计算每个颗粒面积,判断是否为一颗大小居中的颗粒面积的1.5倍以上,如果是便将其按2个颗粒计算。
    5 系统评价
    用本系统对几种不同大小的种子进行数次试验,数据如表所示,结果表明真空数粒仪系统不仅准确率很高、操作简单、测量时间短,而且解决了其他相关仪器对种子大小有要求的弊端。
    6 结论
    根据机器视觉原理在LabView操作平台上利用IMAQ PCI-1411图像采集卡和图像处理软件IMAQ Vision进行了机器视觉数种系统的开发,经试验表明本系统测量结果准确,操作效率高。最重要的是本系统可扩展性较强.本文所实现的只是一个基本功能,可以在此基础上进行出芽率、质量、净度等测量功能扩展,而且不需要额外添加硬件,使开发成本降低。
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