玉米育種激光自動切片的視覺定位方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于農(nóng)業(yè)輔助生產(chǎn)自動化技術領域，尤其涉及一種定位精度要求較高的自 動切片、分揀玉米種子的視覺定位方法。
【背景技術】
[0002] 現(xiàn)代育種常采用分子標記輔助育種，需要從每一粒種子的頂部切取胚乳少許，作 為樣品進行基因檢測篩選，將含有完整胚芽的種子保留用于玉米種植。目前，國內(nèi)缺少成功 應用激光刀切取玉米薄片輔助育種的自動化生產(chǎn)線，實際生產(chǎn)多采用人工切片。
[0003] 種子在脫粒后通常處于雜亂無序的顆粒群狀態(tài)，這就需要研究將單粒種子從顆粒 群中快速分離并能夠按照一致的姿態(tài)有序地排列，即定向的方法和裝置。種子形狀不規(guī)則、 尺寸個體差異大，物理特性不一致，由此導致與接觸面摩擦力等參數(shù)也有較大差異，種子本 身質(zhì)量又非常小，易于受到外界振動、氣流等因素的影響，要在這樣的條件下實現(xiàn)種子的準 確定向，是研制種子分離、定向裝置的一個難點。
[0004] 由于激光的高溫作用，使玉米粒在被切割時，有瞬間爆炸的效應，對待切割籽粒產(chǎn) 生一定的沖擊力，因此，機械手必須能夠適度握緊玉米粒。激光切割玉米粒的大端，由于切 削的位置距離大端頂部很近（2mm左右)，激光光頭的定位，必須適應不同尺寸的玉米粒，因 此，適應不同玉米粒的精確定位方法和定向誤差的控制是必不可少的。
[0005] 使用機械傳送設備和卡槽裝置可以使玉米種子單顆分開放置，并能夠按某些特定 方向進入切割用托盤，但是托盤運送過來的種子位置和姿態(tài)都較為粗略，并且玉米粒尺寸 的不同也會使玉米粒的位置和姿態(tài)產(chǎn)生偏差。要實現(xiàn)玉米激光切片的精確操作，還必須經(jīng) 過精確定位。本發(fā)明采用視覺精確定位方法，使機械手針對不同形狀、尺寸的玉米粒位姿可 以精確定位。
[0006] 玉米粒的尖端部分是它顯著的特征，找到玉米的尖端有助于迅速進行玉米粒的定 位。從20世紀70年代至今，許多學者對圖像的角點檢測進行了大量的研究，這些方法主要 分為兩類：基于圖像邊緣的檢測方法和基于圖像灰度的檢測方法。前者往往需要對圖像邊 緣進行編碼，這在很大程度上依賴于圖像的分割和邊緣提取，具有較大的計算量，且一旦待 檢測目標局部發(fā)生變化，很可能導致操作失敗。早期主要有Rosenfeld和Freeman等人的 方法，后期有CCS等方法。Asif Masood在2007年的論文里，使用一組矩形在圖像邊緣滑 動，統(tǒng)計矩形窗口內(nèi)的輪廓上像素的個數(shù)，以找到角點?；趫D像灰度的方法通過計算點的 曲率及梯度來檢測角點，避免了第一類方法的缺陷，是目前研究的重點。此類方法主要有 Moravec算子、Harris算子、SUSAN算子等。但第二類方法在求取角點的曲率及梯度時，會 耗費大量的計算工作量，對于單粒玉米種子，用這類求角點方法，往往會得到很多不必要的 角點。有些研究者通過調(diào)整算法的設定參數(shù)，可以得到玉米種子尖端點，但上述算法仍然較 為繁瑣，運算時間相對較長，不適應生產(chǎn)自動化實時性的需要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的主要目的是，為玉米種子激光切片的快速自動化定位提供視覺確定性的 方法。
[0008] 針對現(xiàn)有技術的不足，結合玉米種子本身形狀特點以及定位自動化的需要，主要 通過計算面積、形心等物理量進行圖像的目標特征檢測及其定位。
[0009] 玉米尖端比大端部分細小很多，特征顯著，飽滿的玉米種子大端部分的外輪廓是 凸曲線，而在尖端部分與大端連接的曲線，存在一小段輪廓線是凹曲線，玉米種子外輪廓曲 線形狀是近似軸對稱的，如圖1所示。利用上述這些特點，本發(fā)明通過測量面積來檢測玉米 種子的尖端位置。定義正方形或者圓形掩模模板，通過遍歷玉米種子面積內(nèi)的所有像素點， 來找到面積最小的掩模中心所在位置，即為玉米尖端頂點位置。再找到玉米粒的形心位置， 連接尖端頂點和形心的連線，從而確定機械手夾持玉米粒的法線方向和坐標原點，本發(fā)明 為玉米粒切片機器人提供一種快速自動定位方法。
[0010] 采用的技術方案是： 玉米育種激光自動切片的視覺定位方法，其特征在于包括以下步驟： 步驟1.采集單粒玉米種子圖像進行預處理，將RGB圖像轉(zhuǎn)變?yōu)榛叶葓D像，計算灰度分 割閾值，將灰度圖像變換為二值圖像，分割為目標區(qū)域和背景區(qū)域。
[0011] 步驟2.計算目標區(qū)域面積，
【主權項】
1.玉米育種激光自動切片的視覺定位方法，其特征在于包括以下步驟： 步驟（1)、采集單粒玉米種子圖像進行預處理，將RGB圖像轉(zhuǎn)變?yōu)榛叶葓D像，計算灰度 分割閾值，將灰度圖像變換為二值圖像，分割為目標區(qū)域和背景區(qū)域； 步驟⑵、計算目標區(qū)域面積，= 其中，f (x，y)為像素灰度值，（x，y) (I加 為圖像像素坐標，s為目標區(qū)域像素集合；設定正方形掩模尺寸為（2? + l)x(2? + l),其中 ? = 1酬^乂々^)，其取值為自然數(shù)，(1為調(diào)整系數(shù)且^€(0,0.5),丨拉（）是取整函數(shù)； 步驟（3)、擴大圖像的背景區(qū)域像素，以防止掩模面積覆蓋不到圖像內(nèi)所有像素； 步驟（4)、使掩模中心與待檢測目標像素點重合，用掩模覆蓋圖像目標區(qū)域內(nèi)像素，計 算掩模內(nèi)覆蓋目標區(qū)域面積大?。? 步驟（5)、遍歷圖像目標區(qū)域內(nèi)的所有像素，重復步驟4;
步驟（6)、找到掩模覆蓋面積最小的所對應的像素點位置，即為玉米粒的尖端頂點位 置；以該頂點位置作為玉米粒定位的坐標原點； 步驟（7 )、計算目標區(qū)域面積內(nèi)的形心位置坐標 步驟（8)、連接目標頂點與形心位置的連線，即為機械手夾持玉米粒的法線方向； 步驟（9)、沿著法線方向與目標區(qū)域邊緣交點，計算交點所在位置，就是機械手夾持玉 米粒大端的位置。
【專利摘要】玉米育種激光自動切片的視覺定位方法，主要包括以下幾個過程：1、圖像的預處理和圖像分割。2、玉米粒的尖端頂點檢測。3、確定玉米粒形心位置。4、計算玉米粒夾持的法線方向。5、計算玉米粒大端的夾持位置。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，其顯著特點是：依據(jù)較簡單、直觀的計算原理，花費較低的計算量，快速地定位玉米尖端頂點，再利用形心坐標連線，進而確定機械手夾持玉米粒的法線方向、大端位置等，運算結果可以精確到亞像素級別。
【IPC分類】G01B11-00, G06T7-60
【公開號】CN104658015
【申請?zhí)枴緾N201510029332
【發(fā)明人】魏英姿, 谷侃鋒, 王玲, 崔旭晶, 譚龍?zhí)? 趙明揚
【申請人】沈陽理工大學
【公開日】2015年5月27日
【申請日】2015年1月21日