基于MATLAB GUI的棉株頂尖特征提取系統設計

韓大龍等

摘要：應用 MATLAB軟件的圖形用戶界面（graphical user interface，GUI）工具討論了高級文件I/O相關函數的具體應用，設計出簡明、美觀的人機交互式界面，實現了棉株頂部圖像讀取、頂尖特征提取、顯示、保存等功能，通過調用mcc編程器進行編譯，將設計好的程序轉化為獨立的“.exe”文件。本研究為基于機器視覺技術的棉株頂尖識別研究奠定了基礎。

關鍵詞：MATLAB；GUI；棉株頂尖；顏色特征；形狀特征

中圖分類號：S126；TP391.41 文獻標志碼：A 文章編號：1002-1302（2014）03-0346-03

1993—2010年新疆棉花生產基地的棉花種植面積、總產量居全國首位[1]，是國家扶持的重點農業項目基地[2]。在“西部大開發”工作中，新疆堅持棉花的戰略地位不動搖，隨著棉花種植面積、產量的增加以及勞動力短缺，全面推廣棉花生產全程機械化技術迫在眉睫。目前新疆棉花主要種植模式是矮、密、早，每年7月棉花打頂調控是棉花生產豐收的關鍵環節[3-4]，由于目前國產棉花打頂機無法對棉株頂部定位、識別，導致機械打頂過程中存在大量漏打、誤打、損桃等問題，嚴重影響棉花生長和產量[3]，使得棉花機械打頂普及率較低，因此研究打頂機械對棉株頂尖的識別問題是提高棉花機械打頂普及率的關鍵。劉俊奇利用機器視覺技術對棉株的頂尖圖像進行分割，并對其自動識別系統的設計提出了相應方案[5]。瞿端陽等利用圖像分割技術提取棉株株頂與棉桃等部分的顏色特征，并結合BP神經網絡區分出株頂、棉桃等[6]。王勇等通過分析棉花不同部分顏色數據，建立了基于色差信息的識別模型，結合棉桃顏色信息和形狀特征，可以從背景環境中準確識別棉桃并且獲取準確的位置信息，識別率達到 85%[7]。楊福增等采用基于顏色和形狀特征的圖像處理方法，實現茶葉嫩芽的計算機識別和檢測，識別準確率為 94%，為實現茶葉嫩芽的自動采摘提供了有效方法[8]。劉婭靜等提出了基于顏色特征的分割算法，得到適于雜草圖像分割的顏色分量，實現了復雜場景、光照條件下雜草區和背景區的分割[9]。MATLAB軟件作為MathWorks公司開發的一種用于數值計算及可視化圖像處理的工程應用軟件，在圖形圖像處理方面有強大功能和廣泛應用。并且MATLAB軟件提供了高效、方便的圖形用戶界面（graphical user interface，GUI）設計功能，用戶可以簡單、快速設計出直觀、便捷、強大的人機交互界面，實現預定功能[10-12]。本研究利用MATLAB_R2012b軟件設計開發了一套棉株頂尖特征提取系統，提出一種簡單、快速提取棉株頂尖特征值的方法，以期為實現棉花打頂作業“一頂一芯”提供理論基礎。

1 設計路線

以棉株株頂靜態圖像為研究對象，應用 MATLAB GUI 實現棉株株頂圖像輸入與顯示，株頂R、G、B、Y、Cb、Cr等6個顏色分量特征的直方圖曲線顯示，閾值范圍選取及顯示，頂尖形狀特征提取顯示，數據保存等功能。總體技術路線如圖1所示。

2 MATLAB GUI 界面開發

2.1 界面總體設計

在設計人機交互操作界面時，選擇 MATLAB軟件主界面

“HOME”菜單、“New”子菜單下的“Graphical User Interface”項，啟動“GUIDE”對話框，在 “Creat New GUI”菜單下4個選項中選擇空白模板“Blank GUI（Default）”，點擊 “OK” 后進入 GUI 編輯界面。

在 “GUIDE”設計界面中，通過鼠標拖動方式創建GUI 程序界面。該界面選擇1 個彈出式菜單（Pop_up Menu）、2個滑動條（Slider）、3個軸對象（Axes）、5個按鈕（Push Button）、5個文本框（Edit Text）、8 個靜態文本（Static Text）等對象，并擺放于合適位置。其中，彈出式菜單用于顏色分量的選取；滑動條用于動態閾值范圍的選擇；軸對象用于顯示棉株原始圖像，R、G、B等顏色模型下各顏色特征的直方圖曲線以及頂尖二值圖像；文本框用于相關值的顯示；靜態文本控件用于說明相關坐標軸的名稱等。界面設計結果如圖2所示。

3 結論

基于MATLAB軟件高效、強大的圖形用戶界面（GUI）設計出一種簡單、快速提取棉株頂尖特征值的方法，為后續基于機器視覺的棉株頂尖識別奠定了基礎。本研究為其他基于顏色、形狀等特征的對象識別研究提供了一種快速提取特征信息的人機交互界面設計方法。

參考文獻：

[1]田新椿，趙勇生. 對支持新疆棉花產業發展的思考[J]. 農業發展與金融，2011（12）：69-70.

[2]劉俊奇，王維新，趙永滿. 棉花打頂機應用現狀與發展趨勢的研究[J]. 農機化研究，2008（9）：249-251.

[3]唐 軍，羅 昕，胡 斌，等. 3MDZK-12型單行仿形棉花打頂機的結構設計與性能試驗研究[J]. 石河子大學學報：自然科學版，2008，26（4）：511-514.

[4]劉俊奇.棉花株頂識別系統的研究[D]. 石河子：石河子大學，2009.

[5]瞿端陽，王維新，馬本學，等. 基于顏色特征的棉株株頂識別研究[J]. 農機化研究，2013，4（4）：40-43.

[6]王 勇，沈明霞，姬長英. 基于顏色信息和形狀特征的棉桃識別方法[J]. 農業機械學報，2007，38（11）：77-79，87.

[7]楊福增，楊亮亮，田艷娜，等. 基于顏色和形狀特征的茶葉嫩芽識別方法[J]. 農業機械學報，2009，40（增刊）：119-123.

[8]劉婭靜，楊 帆，浦昭邦. 基于顏色特征的雜草圖像分割技術研究[J]. 微計算機信息，2007，23（18）：269-271.

[9]王 垚. 精通MATLAB GUI 設計[M]. 北京：電子工業出版社，2008.

[10]Choiy J，Mccarthy K L，Mccarthy M J. A MATLAB graphical user interface program for tomographic viscometer data processing[J]. Computers and Electronicsin Agriculture，2005，47（1）：59-67.

[11]陳 杰. MATLAB 寶典[M]. 北京：電子工業出版社，2010.

[12]羅華飛. MATLAB GUI 設計學習手記[M]. 北京：北京航空航天大學出版社，2011.