基于形態(tài)學(xué)開運算的燕麥籽粒識別中的孔洞填充研究

燕紅文，崔清亮

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太谷 030801）

燕麥?zhǔn)侵袊鴤鹘y(tǒng)保健食品，膳食纖維豐富，土壤適應(yīng)能力強，是貧瘠之地的良好作物。燕麥加工時的清選是一道必要的工序，該過程中會產(chǎn)生部分損失[1-2]，籽粒的損失量是機器性能的衡量指標(biāo)[3-4]，目前的計算方式較為落后[5-6]，文中采用計算機視覺技術(shù)首先對該工序的籽粒做了識別，并基于形態(tài)學(xué)開運算對識別中出現(xiàn)“孔洞”問題做了處理，為燕麥清選時的籽粒損失的計算機視覺監(jiān)測提供了一定支持。

1 試驗材料與方法

1.1 樣品采集

文中使用的晉燕8號采集于山西省五寨縣，清選機工作時主要是將燕麥中的莖稈、枝翹、燕麥葉子等雜質(zhì)去除，并去除一部分干癟燕麥，將樣品按照質(zhì)量分為3組，圖1分別是8g、12g、18g的樣品展示，圖2展示的是其中包含的部分雜質(zhì)。

1.2 儀器設(shè)備

研究中在山西農(nóng)業(yè)大學(xué)自行研制的清選機上進(jìn)行試驗，將晉燕8號樣品通過本清選機清選，試驗中設(shè)定風(fēng)機轉(zhuǎn)速為70 rpm。

計算機視覺系統(tǒng)使用M3514-MP2型鏡頭（Computar，2/3″C 接口，f=35 mm，F(xiàn)1.4），Marlin F-046C 型 CCD（AVT Color，C CD1/2"），RL-32-75-R/G/B/W環(huán)形光源（CST康視達(dá)，1.2 W），BSA224S電子分析天平（賽多利斯公司，感量0.1 g）和MKELEB5CF-BH三腳架（曼富圖，工作高度410～1 640 mm）

1.3 圖像采集

試驗中，晉燕8號樣品從篩體被吹落到地面緩沖接裝置上，為減少清選機的影子對燕麥圖像采集的影響，在保證從清選機中落下的燕麥樣品的初始形態(tài)的條件下將緩沖裝置緩慢從作業(yè)機器下部移出，做好圖像采集準(zhǔn)備。

①將RL-32-75-R/G/B/W環(huán)形光源和Marlin F-046C型CCD相機固定到三腳架。

②把電子分析天平置零，托盤清理干凈。③標(biāo)定圖像數(shù)據(jù)，使數(shù)據(jù)獲取標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一。

1.4 數(shù)據(jù)分析軟件

本試驗中對燕麥圖像的分析和處理選擇使用Matlab 7.0軟件。

2 基于形態(tài)學(xué)開運算的孔洞填充

2.1 圖像預(yù)處理

采集其籽粒圖像時由于光強不同、背景差異等因素，會對試驗圖像產(chǎn)生一些干擾，去除其影響，會使試驗效果更加精確，文中使用多種方法進(jìn)行了對比試驗。圖3（a）是采用55的中值濾波進(jìn)行去噪聲處理，最終得到的去噪聲效果圖。研究表明，該去噪聲方式可以保留圖像的輪廓特征，并對邊緣信息有較好的處理。燕麥圖像經(jīng)去噪聲處理以后，需要進(jìn)一步將籽粒與圖像背景分割。Otsu是進(jìn)行分割時使用頻率較高的方法，試驗中確定的分割閾值為85，可分性測度0.797 2，取得較好分割效果。如圖3（b）所示。

2.2 孔洞填充

在對燕麥圖像進(jìn)行處理時，受圖像采集環(huán)境的影響或算法不足的影響，在進(jìn)行“二值化”時產(chǎn)生的二值圖會出現(xiàn)孔洞，這對檢測效果會產(chǎn)生不良影響，并且對其圖像完整性有所破壞，這對其籽粒數(shù)目的分析有不利影響。

而形態(tài)學(xué)方法可以通過結(jié)構(gòu)元素對原始圖像進(jìn)行卷積運算，達(dá)到去除圖像噪聲、消除物體邊界點等目的[7]。分為兩種基本操作，腐蝕與膨脹。腐蝕可縮小目標(biāo)范圍，由公式1來表達(dá)，該公式表示B對A的腐蝕，而膨脹則可使待處理區(qū)域擴張，該操作由公式2來表達(dá)，表達(dá)了B對A的膨脹操作。

式中：A——形態(tài)學(xué)中一個結(jié)構(gòu)；B——形態(tài)學(xué)中一個結(jié)構(gòu)。

式中：A——形態(tài)學(xué)中一個結(jié)構(gòu)；B——形態(tài)學(xué)中一個結(jié)構(gòu)。

將上述運算進(jìn)行復(fù)合：第一步對燕麥籽粒圖像進(jìn)行腐蝕操作，再對其結(jié)果進(jìn)行膨脹操作。本試驗中采用形態(tài)學(xué)方法的開運算對圖像進(jìn)行孔洞填充，即對圖像進(jìn)行先腐蝕后膨脹操作，去除細(xì)小雜物并使輕微粘連的燕麥分開。通過多次試驗，當(dāng)腐蝕操作的結(jié)構(gòu)元素設(shè)置為55時，由于原始圖中存在細(xì)小雜質(zhì)，無法消除短莖稈，當(dāng)結(jié)構(gòu)元素設(shè)置為99時，可以去除短莖稈，消除細(xì)小雜質(zhì)對處理結(jié)果的影響。圖4為腐蝕操作和膨脹操作的結(jié)果?？锥吹奶畛溆晒?實現(xiàn)。試驗結(jié)果表明，采用形態(tài)學(xué)開運算可較好的處理燕麥籽粒分割時出現(xiàn)的孔洞問題，為燕麥籽粒的統(tǒng)計分析提供了一定的支持。

式中：A——集合，元素是8連通的邊界；X0——由0組成的陣列，即邊界的初始點；B——已知對稱結(jié)構(gòu)元；AC——A的補集。

3 結(jié)論

（1）將采集的燕麥籽粒圖使用Otsu進(jìn)行預(yù)分割可得到二指圖像，該圖中存在數(shù)量不等的“孔洞”，干擾了籽粒識別，試驗中使用開運算對其填充效果良好，試驗表明，結(jié)構(gòu)元素設(shè)置為99時，可以去除短莖稈，消除細(xì)小雜質(zhì)對處理結(jié)果的影響。

（2）當(dāng)雜質(zhì)的形態(tài)與晉燕8號較相似時，很難從算法角度將其去除，而這部分雜質(zhì)對燕麥籽粒的統(tǒng)計分析會造成干擾，如何識別出外觀相似的雜質(zhì)，提高籽粒識別的效果則有待深入研究。