玉米種子純度數(shù)字圖像處理與識別技術(shù)的應(yīng)用研究.pdf

1、當(dāng)前是信息時代，對信息的獲得、加工、處理和應(yīng)用等都有了飛躍發(fā)展。隨著計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字圖像處理技術(shù)才得以迅速發(fā)展并形成了新的學(xué)科，幾十年以來，它已經(jīng)被廣泛用于航空、醫(yī)學(xué)等多個領(lǐng)域。今天，數(shù)字圖像處理與識別技術(shù)也已經(jīng)成為發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)不可缺少的組成部分，隨著計算機(jī)硬件成本的下降和CPU運(yùn)算速度的提高以及圖像處理與識別技術(shù)本身的專業(yè)化發(fā)展，這項(xiàng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用將越來越廣泛，也是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)信息化與自動化的重要技術(shù)力量。 種子純度

2、是種子質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，是評定種子等級的主要依據(jù)，對種子的銷售者和使用者來說更是非常重要。近年來，隨著新品種尤其是雜交種的廣泛應(yīng)用，種子在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的地位日漸重要，隨之而來的是因?yàn)榉N子純度而引起的問題也日趨嚴(yán)重，每年僅玉米雜交種因純度問題造成的混雜就達(dá)1.5億噸。據(jù)測算，玉米雜交種純度每下降1％，每公頃約減少135kg籽粒產(chǎn)量，每年玉米種子純度盡管呈上升趨勢，但是仍然低而不穩(wěn)?，F(xiàn)有的種子純度檢測方法，包括形態(tài)學(xué)檢測法、生理生化法和分子

3、生物學(xué)法，雖然可以達(dá)到檢測純度的目的，但是他們都是通過人工檢測完成的，而且有的方法既需要花費(fèi)大量的財力和物力，還浪費(fèi)時間。尋找一種既可以快速檢測、又能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確檢測目的的方法對農(nóng)村、農(nóng)業(yè)、農(nóng)民來說是非常重要的，同時也是實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)增收和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化所必需的。 本文在吉林省科技廳科研項(xiàng)目《種子純度與活力快速測定的人工智能圖像識別與處理系統(tǒng)》的研究基礎(chǔ)上，增加玉米種子品種，以掖單12、東農(nóng)248和478等18個玉米品種為研究對象，以計算機(jī)、

4、攝像機(jī)、圖像采集卡、電泳儀以及自制的光照室為實(shí)驗(yàn)工具，綜合運(yùn)用圖像處理技術(shù)、統(tǒng)計學(xué)數(shù)據(jù)分析理論和對比試驗(yàn)理論，將數(shù)字圖像處理技術(shù)與玉米種子純度的生物學(xué)方法相結(jié)合，完善玉米種子純度檢測的數(shù)字圖像處理與識別系統(tǒng)。本研究分五大部分： (1)玉米種子純度檢測的生物學(xué)方法研究對本研究采用的玉米種子純度生物學(xué)方法進(jìn)行分析，查閱大量書籍和資料，利用對比實(shí)驗(yàn)方法，進(jìn)而選取最適合的種子純度檢測的生物學(xué)方法，并通過其改進(jìn)后的方法，提高電泳譜帶的清晰

5、度，利用此方法進(jìn)行人工檢測，得出可靠的人工鑒定結(jié)果，并把該電泳Ⅰ譜帶作為計算機(jī)圖像處理的圖像來源。 (2)硬件系統(tǒng)的建立建立數(shù)字圖像處理硬件系統(tǒng)，為圖像的獲取創(chuàng)造良好的拍攝環(huán)境。 (3)圖像處理方法的運(yùn)用改進(jìn)了圖像處理方法，根據(jù)電泳譜帶圖像的特點(diǎn)，采用圖像的灰度轉(zhuǎn)換、圖像增強(qiáng)、圖像整體均衡、圖像分割及特征提取等圖像處理方法對圖像進(jìn)行處理，最后對圖像進(jìn)行識別。在對圖像進(jìn)行識別時，首先要找到最佳匹配模板，然后采用模板匹配法進(jìn)

6、行圖像的匹配。 (4)軟件系統(tǒng)的建立建立數(shù)字圖像處理的工作流程，利用VC++編寫軟件程序，建立數(shù)字圖像處理與識別軟件系統(tǒng)。 (5)系統(tǒng)可靠性研究利用對比試驗(yàn)來驗(yàn)證和修正圖像處理與識別系統(tǒng)。 一、玉米種子純度檢測的生物學(xué)方法研究對目前種子純度的檢測方法進(jìn)行了細(xì)致分析，得知在玉米種子純度檢測的方法中，蛋白質(zhì)凝膠電泳法具有快速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)、不受環(huán)境條件影響等特點(diǎn)，并對電泳檢測結(jié)果與田間試驗(yàn)結(jié)果相對比，二者結(jié)果相近

7、，因此選取此方法作為種子純度檢測方法。利用改進(jìn)后的國家試行的玉米蛋白凝膠電泳法反應(yīng)體系進(jìn)行化學(xué)實(shí)驗(yàn)，其實(shí)驗(yàn)得到的電泳圖譜圖像更清晰。 二、硬件系統(tǒng)的建立根據(jù)以上選取的玉米種子純度測定方法，設(shè)計了圖像處理與識別系統(tǒng)的硬件組成。由IBM-PⅢ微機(jī)、CCD行間變換攝像機(jī)、圖像采集卡和光照室組成圖像處理與識別硬件系統(tǒng)。 三、圖像處理方法的運(yùn)用將人工檢測得到的電泳圖譜圖像進(jìn)行圖像預(yù)處理，采用加權(quán)平均值法實(shí)現(xiàn)圖像的灰度轉(zhuǎn)換；利用圖像

8、的平滑去噪、中值濾波方法對圖像進(jìn)行增強(qiáng)處理，并對圖像進(jìn)行整體均衡；采用最小錯誤分割方法對圖像進(jìn)行分割，實(shí)現(xiàn)特征提??；建立標(biāo)準(zhǔn)模板庫，采用全局樣板匹配法對圖像進(jìn)行識別。 四、軟件系統(tǒng)的建立充分利用WINDOWS界面和VC++軟件的優(yōu)點(diǎn)編寫玉米種子純度圖像處理與識別系統(tǒng)程序，完善了玉米種子純度檢測數(shù)字圖像處理與識別軟件系統(tǒng)。 五、系統(tǒng)可靠性研究將計算機(jī)圖像識別的結(jié)果和人工檢測結(jié)果進(jìn)行對比，驗(yàn)證和修正圖像識別與處理系統(tǒng)。在種子

9、純度檢測中，圖像識別與處理系統(tǒng)檢測結(jié)果與人工檢測結(jié)果的準(zhǔn)確度達(dá)到了95％以上。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，攝像頭和數(shù)碼相機(jī)的光學(xué)失真以及種子品種本身的質(zhì)量問題對生成的電泳譜帶以及圖像識別的結(jié)果有很大影響。研究的主要結(jié)論為：對18個玉米品種，利用圖像處理與識別方法在計算機(jī)上進(jìn)行種子純度的檢測在理論和實(shí)踐上是可行的。 本研究獲得的成果為：(1)根據(jù)現(xiàn)行的種子純度檢測方法，選擇蛋白凝膠電泳檢驗(yàn)方法作為玉米種子純度的生物學(xué)檢驗(yàn)方法，并利用國家試行的玉米

10、鹽溶蛋白PAGE凝膠電泳改進(jìn)后的反應(yīng)體系進(jìn)行化學(xué)實(shí)驗(yàn)，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明利用改進(jìn)后的反應(yīng)體系可以提高玉米種子純度檢測的速度和圖像清晰度，為計算機(jī)圖像處理提供了較好質(zhì)量的圖像數(shù)據(jù)。建立數(shù)字圖像處理硬件系統(tǒng)，為圖像的獲取創(chuàng)造良好的拍攝環(huán)境。 (2)改進(jìn)了圖像處理方法，將表達(dá)純度的生物學(xué)特征(電泳譜帶)與圖像處理與識別技術(shù)相結(jié)合，對18個玉米品種的純度進(jìn)行計算機(jī)檢測，對每個玉米品種分別采用50條玉米譜帶進(jìn)行計算機(jī)識別，其檢測結(jié)果與人工檢測