[發明專利]玉米育種激光自動切片的視覺定位方法

有效

• 申請號: 201510029332.7
• 申請日: 2015-01-21
• 公開（公告）號: CN104658015B
• 公開（公告）日: 2017-05-10
• 發明（設計）人: 魏英姿;谷侃鋒;王玲;崔旭晶;譚龍田;趙明揚
• 申請（專利權）人: 沈陽理工大學
• 主分類號: G06T7/60
• 分類號: G06T7/60;G01B11/00
• 代理公司: 沈陽利泰專利商標代理有限公司21209
• 代理人: 李樞

技術領域

本發明屬于農業輔助生產自動化技術領域，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

現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線，實際生產多采用人工切片。

種子在脫粒后通常處于雜亂無序的顆粒群狀態，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有序地排列，即定向的方法和裝置。種子形狀不規則、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也有較大差異，種子本身質量又非常小，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種子的準確定向，是研制種子分離、定向裝置的一個難點。

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。

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產生偏差。要實現玉米激光切片的精確操作，還必須經過精確定位。本發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。

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，統計矩形窗口內的輪廓上像素的個數，以找到角點。基于圖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。有些研究者通過調整算法的設定參數，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，不適應生產自動化實時性的需要。

發明內容

本發明的主要目的是，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。

針對現有技術的不足，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。

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，本發明為玉米粒切片機器人提供一種快速自動定位方法。

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圖像轉變為灰度圖像，計算灰度分割閾值，將灰度圖像變換為二值圖像，分割為目標區域和背景區域。

步驟2. 計算目標區域面積，，其中，f（x,y）為二值圖像的像素灰度值，(x,y)為圖像像素坐標，s為目標區域像素集合。設定正方形掩模尺寸為，其中，其取值為自然數，d為調整系數且，int( )是取整函數。

步驟3. 擴大圖像的背景區域像素，以防止掩模面積覆蓋不到圖像內所有像素。

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域內像素，計算掩模內覆蓋目標區域面積大小。

步驟5. 遍歷圖像目標區域內的所有像素，重復步驟4。