自动数粒仪的理论与实践基础

 农业生产中需要对要播种的作物种子进行提前计数，针对目前人工计数和光电计数的不足，运用MATLAB的图像识别和处理技术对种子图像进行处理，用于自动计数传送带上的种子数目。本文针对二值图像中出现的多个对象相互粘连的情况，主要运用了形态学方法中的腐蚀膨胀法、面积分配法和分水岭算法，实现了对黑豆图像的分割和计数并比较每种方法的计数精度，同时结合界面程序开发技术，使其具有良好的人机交互功能。为作物种子的识别、精选、分级等的进一步研究奠定必要的理论与实践基础，并为育种工作提供一种、快捷的自动数粒仪技术。

一、前言
      作物种子在农业生产中占有重要地位，在使用播种机械进行播种时，需要提前对传送带上的种子进行计数，以确定播种数量。但传统的计数方法存在着效率低、准确性不高等缺点，现利用MATLAB
软件的图像识别和处理技术实现播种过程中的计数，自动计数传送带上的种子数目。为作物种子的识别、精选、分级等的进一步研究奠定必要的理论与实践基础，并为育种工作提供一种、快捷的种子计数技术。本文采用手机相机直接获得种子群的图像。为了增强对比度，我们将一定数量的黑豆种子随机的撒在一张白纸上进行拍摄，并不断改变种子数量拍摄多幅图片进行处理。
二、算法描述
     （一）算法一:腐蚀膨胀法
      利用形态学运算中的腐蚀和膨胀算法进行图像处理，首先对RGB格式的种子图像进行灰度化处理，然后去除噪声信息并进行二值化处理。二值化处理是利用图像中要提取的目标物与其背景在灰度特
性上的差异，把图像视为具有不同灰度级的两类区域的组合，其关键是选择合理的分割阈值。当一个像素的灰度值超过这个阈值，就可以说这个像素属于人们感兴趣的目标，反之则属于背景部分。在
Matlab中寻找*阈值的函数为graythresh，二值化函数为im2bw。而后对二值化处理后的图像进行数学形态学处理，首先不断进行适当腐蚀， 然后对腐蚀后的图像进行膨胀运算，得到大小适当且
不粘连的种子图像。在Matlab中利用bwlabel函数求出连通图，并给出连通图的数量。
     （二）算法二：面积法
      首先得到二值化的图像，为防止出现孔洞影响面积计算,对二值图像进行填充处理，然后运用面积分配法，对填充后的图像求取目标对象的总面积，然后除以每个对象的平均面积，并对结果四舍五
入取整即可得到种子总数。其中每个种子的平均面积是用100幅图片的种子总面积除以总数量计算得到的，是所有种子的平均面积。
      （三）算法三：分水岭分割算法
1.rgb2hsv转化
      分水岭是处理粘连问题zui为普遍和有效的方法。而这里分水岭法的关键，就是利用分水岭算法来处理种子之间的粘连问题。这种算法要首*行rgb2hsv转化。rgb2hsv功能：转化RGB值为HSV颜色
空间。这样，得到的二值图像更容易处理。
2.开运算与闭运算
      为了减小误差，可以对灰度图像进行开操作和闭操作，然后再进行以后的步骤。这两种运算具有极值滤波功能，开运算对信号平滑；闭运算去除谷底值。
3.距离变换
      距离变换是适合于连接目标分割的一种有效方法,它的变换结果是在目标的连接线处构造一个大坝,即距离变换的局部*值,使得连接处能够被分开。但是因为目标形状的不规则性,目标内部通常会
形成多个局部极小值。由于分水岭算法中,每个局部极小值对应一个区域,因此过多的局部极小值将会造成过分割。但经过距离变换所得到的灰度梯度幅值图像可以用于分水岭分割。
4.分水岭变换
      分水岭分割算法是一种经典的基于区域的图像分割算法，在图像处理中有着广泛的应用。它的基本思想是将梯度幅值图像看成一幅地形图,梯度对应于海拔高度，图像中不同梯度值的区域对应于山峰和山谷间的盆地。在各个局部极小值点的位置打一洞，然后将地形图逐渐浸入一个湖中，全局极小值点的盆地*水。水位逐渐上升漫过盆地，当相邻两个盆地的水即将合并时，在两个盆地之间建坝拦截，这一过程将图像划分为许多山谷盆地，分水岭就是分隔这些盆地的堤坝。由于我们要对二值图像连通域进行计数，就需要进行二值化。在这里由于可能有过分割，所以我们对所得分割线进行一定程度的膨胀，然后进行腐蚀来防止膨胀过度而形成新的区域。
      （四）其他算法总结
1.基于边界曲率识别接触点，利用zui短距离配对法来进行分割的方法，但是这种算法易出现接触线误识别。2.基于主动轮廓模型的分割方法，对前者有一定的改进，但初始曲线的自动选取比较复杂。这几种算法理论上也是可行的。
三、统计分析
      （一）散点图
1．腐蚀膨胀法
      这种方法仅适用于连接目标的单点接触,不适于分割连接处为接触线的情况，对于粘连接触线过长的图像不能够*分隔开，所以会产生测量值小于实际值的情况，不过总的来说这种算法度比较高，可以把大部分粘连种子分割开。
2.面积法
      这种方法具有一定的不稳定性，影响因素有两个：一是由于在拍摄照片过程中，由于相机高度没有固定，导致图片中种子的平均面积有差别。二是种子的粘连部分和投影区经二值化处理后，会影响总面积的大小，产生一定的误差。
3.分水岭分割算法
      分水岭分割算法能较好的提取出粘连种子的边界，度比较高，不过对于某些图像，过分割现象还是无法*消除，容易导致测量值大于实际值的情况。此法在种子数较少的情况下比较准确，种子数量多、粘连比较多的情况下误差较大。
     （二）数据分析
      为了比较三种算法的程度，运用数理统计的原理对100幅图像的处理结果进行统计分析，计算出三种算法的残差均方根为：腐蚀膨胀法0.785168、面积法：2.837705、分水岭分割法：0.976306，通过对比每种算法的残差均方根可得出结论：腐蚀膨胀法的残差均方根zui小，度，分水岭分割法次之，而面积法的误差zui大。
四、界面开发
      为了使整个计数系统具有更好的人机交互功能，利用MATLAB中的GUI界面开发功能，设计了更为便捷的图像处理界面，省去了直接运行程序的繁琐步骤，并且能够更直观的对比三种不同算法处理后
的种子数量和图像，使操作更符合人性化。
五、总结和展望
      利用Matlab图像处理技术设计的自动数粒仪，很方便地实现了播种过程中的计数。试验结果表明，即使在种子粘连状态下也能获得很高的准确度，这不仅减轻了人的劳动强度，弥补了人视觉的不足之处，大大提高了效率及准确率，同时也避免了其他软件繁琐的编程工序，具有很高的使用价值。