單粒谷物體積排液法精確測量研究

劉雙喜　孫林林　付千悅　王　震　張春慶　王金星,2

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院， 泰安 271018； 2.山東省園藝機(jī)械與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 泰安 271018；3.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院， 泰安 271018)

0　引言

谷物表型形狀尤其是體積參數(shù)的簡便、快速、準(zhǔn)確測量在谷物科學(xué)研究中至關(guān)重要。測量外形不規(guī)則谷物體積通常使用排液法，但干燥谷物會快速吸水膨脹，產(chǎn)生測量誤差,同時(shí)吸水后谷物內(nèi)部會出現(xiàn)裂紋導(dǎo)致品質(zhì)下降[1]。為避免谷物吸水膨脹，實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下常使用比重瓶法結(jié)合甲苯溶液測量谷物的平均體積。隨著計(jì)算機(jī)與軟件技術(shù)的快速發(fā)展，使得借助計(jì)算機(jī)技術(shù)測量不規(guī)則物體體積成為可能。根據(jù)測量原理的不同，不規(guī)則物體體積的測量技術(shù)主要分為激光傳感測量[2]和計(jì)算機(jī)視覺測量[3-4],激光測量具有非接觸、長距離和抗干擾的優(yōu)點(diǎn)，更適合在戶外大范圍測量應(yīng)用[5-8]。在不規(guī)則物體測量方面，國內(nèi)外學(xué)者已取得一些成就。RICCABONA等[9]使用三維超聲方法測量不規(guī)則物體體積。LEE等[10]提出一種使用非破壞性方法測量不規(guī)則形狀物體體積的機(jī)器視覺系統(tǒng)，以固定角度間隔旋轉(zhuǎn)物體并拍攝物體輪廓，對不同視角獲得的輪廓進(jìn)行整合來重建物體的三維線框模型，通過在線框模型表面擬合近似測量物體體積。OMID等[11]提出一種測量柑橘類水果體積的方法，使用兩架相機(jī)采集水果的垂直視圖，通過將果實(shí)圖像分成多個(gè)基本的橢圓形截頭圓錐體來計(jì)算水果體積。GONI等[12]使用基于表面橫截面設(shè)計(jì)的逆向工程方法進(jìn)行固體食品材料的三維重建，使用計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)獲取不規(guī)則多維食品橫截面的數(shù)字圖像，開發(fā)了一種基于有限元法估測體積的方法。WANG等[13]設(shè)計(jì)了一種低成本傳感器，實(shí)現(xiàn)了自動計(jì)算對稱農(nóng)產(chǎn)品體積，將測量對象圖像近似為基本右錐形截頭圓錐體的總和來計(jì)算體積。JR等[14]提出一種基于微機(jī)技術(shù)精確量化不規(guī)則形狀物體的計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)測量體積，并對物體進(jìn)行三維重建。曹毓等[15]針對形狀不規(guī)則路面目標(biāo)物提出的路面三維點(diǎn)云優(yōu)化方法速度快，且三維重建效果及目標(biāo)物的體積計(jì)算精度能滿足實(shí)際要求。邢冀川等[16]基于激光三角法研發(fā)了一種車廂體積測量系統(tǒng)，采用三階灰度矩陣邊緣檢測算法精確提取車廂部分，通過車廂體積分割技術(shù)精確計(jì)算車廂體積。龔愛平等[17]提出了基于三維線框模型的圖像處理方法計(jì)算不規(guī)則類球體形狀農(nóng)產(chǎn)品的體積，可較精確測量球體農(nóng)產(chǎn)品的體積。

綜合分析國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，現(xiàn)有不規(guī)則物體體積測量方法主要面向外形特點(diǎn)顯著且大體積物體，還無法精確測量不規(guī)則小物體體積。由于干燥的谷物體積小、形狀不規(guī)則，為更精確測量谷物體積，本文設(shè)計(jì)一種單粒谷物體積排液法精確測量裝置，使用高精度線陣CCD相機(jī)采集谷物測量過程中的液位圖像，運(yùn)用計(jì)算機(jī)處理液位圖像，最終計(jì)算谷物體積，從而簡化谷物體積測量工作，提高單粒不規(guī)則谷物體積測量精度和效率。

1　整體結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1　整體結(jié)構(gòu)

圖1　單粒谷物體積排液精確測量裝置Fig.1　Accurate measuring instruments of single grain volume draining method1.水平調(diào)節(jié)滑軌　2.固定底板　3.測量容器　4.谷物專用盛放袋　5.谷物　6.背景板　7.LED燈條　8.LED專用遮光板　9.高精度線陣CCD相機(jī)　10.CCD調(diào)節(jié)裝置　11.數(shù)據(jù)線　12.計(jì)算機(jī)

單粒谷物體積排液精確測量裝置主要由計(jì)算機(jī)、標(biāo)準(zhǔn)白光光源、高精度線陣CCD相機(jī)、CCD調(diào)節(jié)裝置、測量容器、谷物專用盛放袋、背景板、固定底板等構(gòu)成，裝置如圖1所示。其中測量容器、谷物專用盛放袋和固定底板3部分組成測量部分，主要用于排液法測量單粒谷物體積。標(biāo)準(zhǔn)白光光源、高精度線陣CCD、CCD調(diào)節(jié)裝置以及背景板構(gòu)成圖像信息采集系統(tǒng)，其中標(biāo)準(zhǔn)白光光源由LED燈條和LED專用散光板構(gòu)成[19]，色溫為6 500 K[18]，營造最佳拍攝環(huán)境，以采集排液法測量體積過程中前后2次液面高度圖像信息。計(jì)算機(jī)主要負(fù)責(zé)圖像處理、液面高度變化值提取以及計(jì)算谷物體積。其中高精度線陣CCD相機(jī)選用DALSA的PC-30-04K80型彩色線掃描相機(jī)，像素為4 096。背景板為綠色，測量容器內(nèi)為水和墨水混合后的黑色溶液，以提高背景與前景物體的色彩對比度，便于提取液面高度。圖2所示谷物專用盛放袋為柔性包膜材料，使用時(shí)排盡內(nèi)部空氣制成真空環(huán)境，保證盛放袋內(nèi)部與谷物最大程度緊密貼合，避免存在空隙，在排液法測量體積過程中能夠?qū)⒏稍锕任锱c液體隔離，防止谷物吸水膨脹。

圖2　谷物專用盛放裝置Fig.2　Grain-specific storage device1.谷物專用盛放袋　2.載重物　3.谷物　4.拉繩

1.2　工作原理

單粒谷物體積排液精確測量裝置工作時(shí)，首先向測量容器內(nèi)倒入水和墨水的混合液體，通過CCD調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)高精度線陣CCD相機(jī)的拍攝位置，調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)白色光光源，增強(qiáng)圖像采集環(huán)境，使液位變化效果更易識別。其次，將未放入谷物的谷物專用盛放袋內(nèi)部空氣排出形成真空環(huán)境，用高精度線陣CCD相機(jī)采集該裝置浸入測量容器前后液位圖像，提取液位變化部分圖像，統(tǒng)計(jì)該段圖像所包含的像素個(gè)數(shù)，結(jié)合體積標(biāo)定所建立的單個(gè)像素與實(shí)際體積之間關(guān)系，計(jì)算谷物專用盛放袋體積V1。最后，將谷物放入谷物專用盛放袋，排盡內(nèi)部空氣，避免裝置與谷物之間出現(xiàn)空隙，實(shí)現(xiàn)最大程度貼合，用線陣CCD相機(jī)采集該裝置浸入測量容器后液位圖像，再次計(jì)算此時(shí)體積V2，最終得到單粒谷物體積

V=V2-V1

(1)

其中，測量容器有多種內(nèi)徑規(guī)格，可根據(jù)谷物大小選用不同內(nèi)徑規(guī)格的測量容器。

2　測量裝置標(biāo)定

2.1　刻度選取

圖3　測量容器中軸線部位圖像信息Fig.3　Image information of measuring vessel central axis

為建立實(shí)際體積與像素之間的關(guān)系，需根據(jù)高精度線陣CCD采集測量容器的圖像信息進(jìn)行體積標(biāo)定[20-21]。首先，在測量容器上選取u個(gè)刻度，每個(gè)刻度格代表0.1 mL體積；其次，用黑色紙條將該段刻度覆蓋，覆蓋范圍從第一個(gè)刻度中間位置到最后一個(gè)刻度中間位置；最后，利用高精度線陣CCD相機(jī)采集測量容器中軸線部位的圖像信息，如圖3所示，黑色部分是用來覆蓋刻度的黑色紙條。

2.2　建立像素點(diǎn)與實(shí)際體積之間關(guān)系

采用計(jì)算機(jī)逐行遍歷圖3所示圖像，提取圖像上所有像素點(diǎn)的RGB值。由于所選取刻度區(qū)域已用黑色紙條覆蓋，可限定RGB 3通道閾值TR、TG、TB均為零，測量容器每個(gè)刻度代表體積為0.1 mL，統(tǒng)計(jì)圖像上滿足3個(gè)限定閾值的全部像素點(diǎn)個(gè)數(shù)N，分別計(jì)算每個(gè)刻度格包含的像素個(gè)數(shù)M1和每個(gè)像素代表的實(shí)際體積值V0。

(2)

(3)

式中u——刻度格個(gè)數(shù)

2.3　體積標(biāo)定結(jié)果

本次試驗(yàn)過程中體積標(biāo)定時(shí)，選取刻度格個(gè)數(shù)u為5，用黑色紙條覆蓋后統(tǒng)計(jì)該段刻度所包含的像素點(diǎn)個(gè)數(shù)N為219，運(yùn)用式(2)計(jì)算每個(gè)刻度格所含像素個(gè)數(shù)M1為219/5，得到M1后再通過式(3)求得單個(gè)像素表示的實(shí)際體積V0為0.002 3 mL。

2.4　最小測量精度校正

通過體積標(biāo)定得到單粒谷物體積排液精確測量裝置的最小測量精度為0.002 3 mL，為驗(yàn)證其準(zhǔn)確性，使用微量移液器進(jìn)行校正。

選用北京川布蘭生物技術(shù)開發(fā)有限公司生產(chǎn)的微量移液器，型號為HST-MAP-H10、量取范圍為0.000 5～0.01 mL，由于最小測量精度為0.002 3 mL，因此設(shè)定以0.000 6 mL為一定體積間隔進(jìn)行校正。

先使用微量移液器在單粒谷物體積排液精確測量裝置中裝入適量液體，并采集液位圖像，統(tǒng)計(jì)該圖像所包含的像素個(gè)數(shù)γ1；然后使用微量移液器每次量取0.000 6 mL液體注入單粒谷物體積排液精確測量裝置中，每次注入后統(tǒng)計(jì)此時(shí)單粒谷物體積排液精確測量裝置內(nèi)部液位圖像所含的像素個(gè)數(shù)γ2；微量移液器前3次向單粒谷物體積排液精確測量裝置注入液體時(shí)，γ2=γ1，第4次注入時(shí)γ2-γ1=1，微量移液器4次注入液體總體積為0.002 4 mL，由于0.002 4大于0.002 3，當(dāng)體積變化超過最小測量精度0.002 3 mL時(shí)，產(chǎn)生1個(gè)像素點(diǎn)的變化，因此最小測量精度為0.002 3 mL是準(zhǔn)確的，單粒谷物體積排液精確測量裝置可用于測量單粒谷物體積。

3　試驗(yàn)設(shè)計(jì)與單粒谷物體積計(jì)算

由于谷物種類繁多、形狀不規(guī)則、體積較小、易受潮，采用現(xiàn)有測量技術(shù)難以準(zhǔn)確測量干燥的單粒不規(guī)則谷物體積。為解決此問題，設(shè)計(jì)了一種單粒谷物體積排液精確測量裝置，能夠提高測量精確度和測量速率。

針對干燥玉米形狀不規(guī)則、易吸水膨脹、體積難以精確測量的特點(diǎn)，選擇玉米作為試驗(yàn)對象。設(shè)計(jì)對照試驗(yàn)，選取100粒干燥玉米，如圖4所示，對每粒玉米分別使用單粒谷物體積排液法和比重瓶法測量體積。

圖4　百粒玉米圖Fig.4　Diagram of one hundred corns

3.1　單粒谷物體積排液法

3.1.1確定谷物專用盛放袋體積

測量谷物體積前確定谷物專用盛放袋的體積。使用高精度線陣CCD相機(jī)采集谷物專用盛放袋浸入測量容器前后液位圖像，利用差值法處理高精度CCD相機(jī)前后2次采集的液位圖像，提取測量前后液位變化部分圖像，遍歷統(tǒng)計(jì)該段圖像上所有像素點(diǎn)個(gè)數(shù)，結(jié)合體積標(biāo)定得到的單個(gè)像素點(diǎn)代表的實(shí)際體積，最終確定谷物專用盛放裝置的體積V1。

3.1.2提取液面高度變化部分圖像

將玉米放入谷物專用盛放袋后，使用高精度線陣CCD相機(jī)采集該裝置浸入測量容器前后液位圖像，并將圖像上傳至計(jì)算機(jī)。圖像采集過程中環(huán)境不變，變化部分僅為谷物專用盛放裝置浸入測量容器前后的液位變化。首先，分別提取液位變化前后圖像所包含的每個(gè)像素點(diǎn)RGB值并存入數(shù)組X和Y；其次，計(jì)算兩數(shù)組差的絕對值并保存到數(shù)組Z。

Z=abs(X-Y)

(4)

最后，將數(shù)組Z內(nèi)RGB值轉(zhuǎn)換為圖像信息，并做單閾值分割，得到液位變化部分二值圖像。具體圖像處理過程如圖5所示，圖像尺寸為1像素×4 096像素，即高度為4 096像素，寬度為1像素。

圖5　圖像處理過程Fig.5　Image processing

3.1.3玉米體積計(jì)算

提取液位變化部分二值圖像上每個(gè)像素點(diǎn)的RGB值，因圖像為二值圖像，黑色部分為液位變化部分圖像，可限定閾值T=0，統(tǒng)計(jì)在該閾值條件下該圖像所含像素點(diǎn)個(gè)數(shù)M2。體積標(biāo)定得到每個(gè)像素代表的體積V0，計(jì)算玉米和谷物專用盛放袋總體積為

V2=V0M2

(5)

使用單粒谷物體積排液精確測量裝置對100粒玉米進(jìn)行體積測量，體積測量結(jié)果如圖6所示，測量用時(shí)為12 min。

圖6　單粒谷物體積排液法測量玉米體積結(jié)果Fig.6　Measurement result of volume by accurate measuring instruments

3.2　對照試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為驗(yàn)證本文單粒谷物體積排液精確測量裝置的測量正確率與測量速率，設(shè)計(jì)對照試驗(yàn)，對同一組玉米按相同順序采用比重瓶法測量單粒玉米體積。

比重瓶法是實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下測谷物體積的常用方法，能夠得到較為準(zhǔn)確的多粒谷物體積，試驗(yàn)器材包括比重瓶、甲苯溶液、天平及蒸餾水。甲苯溶液為有毒易揮發(fā)液體，對人體傷害極大，且每測量一組谷物體積后就需要更換新的甲苯溶液，而更換后的廢液需要專業(yè)設(shè)備集中處理，否則會造成環(huán)境污染和資源浪費(fèi)；天平選用上海精天電子儀器有限公司生產(chǎn)的JA5003A型電子精密天平，精度為0.001 g；比重瓶僅用于盛放甲苯溶液，無刻度。

比重瓶法測體積過程中，用天平稱得比重瓶質(zhì)量為m0后，在比重瓶中裝滿蒸餾水并用天平稱得質(zhì)量為mw，再將蒸餾水倒出后在比重瓶中裝滿甲苯溶液用天平稱得質(zhì)量為m1，通過溫度計(jì)測量蒸餾水的溫度，并在密度表中查找蒸餾水密度ρw(g/cm3)，計(jì)算甲苯溶液密度為

(6)

測得甲苯溶液密度后，用天平稱量每粒玉米質(zhì)量ms并裝進(jìn)比重瓶，然后向比重瓶中倒入甲苯溶液浸沒玉米后輕輕搖動比重瓶，促使玉米表面及折痕處的空氣排出。排盡空氣后再將甲苯溶液裝滿比重瓶并稱得質(zhì)量m2，計(jì)算單粒玉米體積為

(7)

使用比重瓶法測量100粒玉米體積，測量結(jié)果如圖7所示，測量用時(shí)為124 min。

3.3　試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

同一組100粒干燥玉米用2種方法分別測量后，得到2組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為驗(yàn)證單粒谷物體積排液精確測量裝置的測量正確性，對兩組試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納、處理和分析。

圖7　比重瓶法測量體積結(jié)果Fig.7　Measurement result of volume by pycnometer method

3.3.1基本統(tǒng)計(jì)處理

對2組試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行基本統(tǒng)計(jì)計(jì)算，分別求出單粒谷物體積排液精確測量裝置和比重瓶法所測得體積結(jié)果的最大值、最小值、平均值、極差以及標(biāo)準(zhǔn)偏差，為格魯布斯檢驗(yàn)、F檢驗(yàn)和t檢驗(yàn)做準(zhǔn)備，其中平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為

(8)

(9)

式中xi——樣本值n——樣本總數(shù)

同時(shí)，統(tǒng)計(jì)測量同一批谷物時(shí)2種測量方法所用時(shí)間。結(jié)果見表1。

表1　基本統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab.1　Basic statistical results

3.3.2格魯布斯檢驗(yàn)

為了剔除由于過失誤差引起的異常數(shù)據(jù)，使用格魯布斯檢驗(yàn)法進(jìn)行離散值檢驗(yàn)。首先，將原始試驗(yàn)數(shù)據(jù)從小到大排序，并求得該組數(shù)據(jù)的平均值及標(biāo)準(zhǔn)偏差S；其次，計(jì)算統(tǒng)計(jì)量Ti

(10)

最后，將統(tǒng)計(jì)量Ti與格魯布斯檢驗(yàn)值表中臨界值Tα,n比較(α為顯著性水平，即把正常值判為異常值時(shí)錯(cuò)誤的概率，n為樣本量)，如果Ti≥Tα,n，說明xi為離散值，必須舍去，反之予以保留。

結(jié)合兩種測量方法所測得的百粒玉米體積試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分別求出各自最大值和最小值的統(tǒng)計(jì)量T：TAmin=1.480 4，TAmax=2.688 8，TBmin=1.718 7，TBmax=2.687 5，則TAmin≤TA≤TAmax，TBmin≤TB≤TBmax；查詢格魯布斯檢驗(yàn)值表，取α=0.05，T0.05,100=3.21，將TAmin、TAmax、TBmin、TBmax分別與T0.05,100比較，均小于T0.05,100，因此2組原始數(shù)據(jù)無離散值，證明數(shù)據(jù)有效、準(zhǔn)確。

3.3.3F檢驗(yàn)

數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差S可以反映該組數(shù)據(jù)的精度，不同組數(shù)據(jù)有不同的精度，檢驗(yàn)2組數(shù)據(jù)精度之間有無顯著性差異需進(jìn)行F檢驗(yàn)。首先，計(jì)算F值為

(11)

3.3.4t檢驗(yàn)

為比較2組數(shù)據(jù)平均值之間是否存在顯著性差異，需進(jìn)行t檢驗(yàn)。由于2組試驗(yàn)數(shù)據(jù)的樣本量相同，計(jì)算t值為

(12)

將計(jì)算后所得t值與t分布表中的tα,(n1+n2-2)比較，如果t≤tα,(n1+n2-2)，則說明2組數(shù)據(jù)平均值之間無顯著性差異。

結(jié)合表1數(shù)據(jù)，計(jì)算后所得tAB=0.543 0，同時(shí)取α=0.05，t0.05,198=1.98，即tAB

3.3.5數(shù)據(jù)處理結(jié)果分析

由上述格魯布斯檢驗(yàn)、F檢驗(yàn)、t檢驗(yàn)3組檢驗(yàn)結(jié)果可知，2組試驗(yàn)數(shù)據(jù)之間無顯著性差異，表明2種測量方法均可實(shí)現(xiàn)精確測量單粒谷物體積；由于比重瓶法測量體積過程中使用的甲苯溶液為易揮發(fā)有毒液體，經(jīng)測量后谷物需通過專業(yè)設(shè)備處理，避免危害環(huán)境，因此谷物無法循環(huán)利用，造成一定程度的浪費(fèi)。而單粒谷物體積排液法測量環(huán)境無毒、快捷，測量后的谷物可重復(fù)使用，節(jié)約谷物資源。因此，單粒谷物體積排液法可以代替比重瓶法測量單粒谷物體積，并保證高精度測量。

4　結(jié)論

(1)提出一種快速精確無毒的單粒谷物體積排液法，根據(jù)干燥谷物體積小且形狀不規(guī)則的特點(diǎn)，在色溫6 500 K的標(biāo)準(zhǔn)白光下采集測量圖像，增強(qiáng)液位變化識別度，結(jié)合圖像處理技術(shù)和排液法測體積原理實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測量干燥谷物體積。

(2)設(shè)計(jì)了一種谷物防吸水專用盛放裝置，測量時(shí)采用柔性包膜將干燥谷物與液體隔離并抽出內(nèi)部空氣，使包膜與谷物表面最大程度貼合。該裝置可避免干燥谷物吸水膨脹后損壞內(nèi)部結(jié)構(gòu)。影響體積測量準(zhǔn)確率及種子自身完整性。通過對照試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)該裝置與常規(guī)測量方法測量結(jié)果相符合，滿足測量要求。

(3)測量同一組谷物體積時(shí)，單粒谷物體積排液法用時(shí)12 min，比重瓶法用時(shí)124 min；對單粒谷物體積排液法測量結(jié)果與比重瓶法測量結(jié)果分別使用格魯布斯檢驗(yàn)、F檢驗(yàn)、t檢驗(yàn)作分析對比：(TA、TB)

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