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.山東農業大學機械與電子工程學院， 泰安 271018； 2.山東省園藝機械與裝備重點實驗室， 泰安 271018；3.山東農業大學農學院， 泰安 271018)

0　引言

谷物表型形狀尤其是體積參數的簡便、快速、準確測量在谷物科學研究中至關重要。測量外形不規則谷物體積通常使用排液法，但干燥谷物會快速吸水膨脹，產生測量誤差,同時吸水后谷物內部會出現裂紋導致品質下降[1]。為避免谷物吸水膨脹，實驗室環境下常使用比重瓶法結合甲苯溶液測量谷物的平均體積。隨著計算機與軟件技術的快速發展，使得借助計算機技術測量不規則物體體積成為可能。根據測量原理的不同，不規則物體體積的測量技術主要分為激光傳感測量[2]和計算機視覺測量[3-4],激光測量具有非接觸、長距離和抗干擾的優點，更適合在戶外大范圍測量應用[5-8]。在不規則物體測量方面，國內外學者已取得一些成就。RICCABONA等[9]使用三維超聲方法測量不規則物體體積。LEE等[10]提出一種使用非破壞性方法測量不規則形狀物體體積的機器視覺系統，以固定角度間隔旋轉物體并拍攝物體輪廓，對不同視角獲得的輪廓進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，使用兩架相機采集水果的垂直視圖，通過將果實圖像分成多個基本的橢圓形截頭圓錐體來計算水果體積。GONI等[12]使用基于表面橫截面設計的逆向工程方法進行固體食品材料的三維重建，使用計算機視覺系統獲取不規則多維食品橫截面的數字圖像，開發了一種基于有限元法估測體積的方法。WANG等[13]設計了一種低成本傳感器，實現了自動計算對稱農產品體積，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算體積。JR等[14]提出一種基于微機技術精確量化不規則形狀物體的計算機斷層掃描(CT)測量體積，并對物體進行三維重建。曹毓等[15]針對形狀不規則路面目標物提出的路面三維點云優化方法速度快，且三維重建效果及目標物的體積計算精度能滿足實際要求。邢冀川等[16]基于激光三角法研發了一種車廂體積測量系統，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精確計算車廂體積。龔愛平等[17]提出了基于三維線框模型的圖像處理方法計算不規則類球體形狀農產品的體積，可較精確測量球體農產品的體積。

綜合分析國內外研究現狀，現有不規則物體體積測量方法主要面向外形特點顯著且大體積物體，還無法精確測量不規則小物體體積。由于干燥的谷物體積小、形狀不規則，為更精確測量谷物體積，本文設計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相機采集谷物測量過程中的液位圖像，運用計算機處理液位圖像，最終計算谷物體積，從而簡化谷物體積測量工作，提高單粒不規則谷物體積測量精度和效率。

1　整體結構及工作原理

1.1　整體結構

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.水平調節滑軌　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　10.CCD調節裝置　11.數據線　12.計算機

單粒谷物體積排液精確測量裝置主要由計算機、標準白光光源、高精度線陣CCD相機、CCD調節裝置、測量容器、谷物專用盛放袋、背景板、固定底板等構成，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。標準白光光源、高精度線陣CCD、CCD調節裝置以及背景板構成圖像信息采集系統，其中標準白光光源由LED燈條和LED專用散光板構成[19]，色溫為6 500 K[18]，營造最佳拍攝環境，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。計算機主要負責圖像處理、液面高度變化值提取以及計算谷物體積。其中高精度線陣CCD相機選用DALSA的PC-30-04K80型彩色線掃描相機，像素為4 096。背景板為綠色，測量容器內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，使用時排盡內部空氣制成真空環境，保證盛放袋內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將干燥谷物與液體隔離，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，首先向測量容器內倒入水和墨水的混合液體，通過CCD調節裝置調節高精度線陣CCD相機的拍攝位置，調節標準白色光光源，增強圖像采集環境，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部空氣排出形成真空環境，用高精度線陣CCD相機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，統計該段圖像所包含的像素個數，結合體積標定所建立的單個像素與實際體積之間關系，計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，排盡內部空氣，避免裝置與谷物之間出現空隙，實現最大程度貼合，用線陣CCD相機采集該裝置浸入測量容器后液位圖像，再次計算此時體積V2，最終得到單粒谷物體積

V=V2-V1

(1)

其中，測量容器有多種內徑規格，可根據谷物大小選用不同內徑規格的測量容器。

2　測量裝置標定

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

為建立實際體積與像素之間的關系，需根據高精度線陣CCD采集測量容器的圖像信息進行體積標定[20-21]。首先，在測量容器上選取u個刻度，每個刻度格代表0.1 mL體積；其次，用黑色紙條將該段刻度覆蓋，覆蓋范圍從第一個刻度中間位置到最后一個刻度中間位置；最后，利用高精度線陣CCD相機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　建立像素點與實際體積之間關系

采用計算機逐行遍歷圖3所示圖像，提取圖像上所有像素點的RGB值。由于所選取刻度區域已用黑色紙條覆蓋，可限定RGB 3通道閾值TR、TG、TB均為零，測量容器每個刻度代表體積為0.1 mL，統計圖像上滿足3個限定閾值的全部像素點個數N，分別計算每個刻度格包含的像素個數M1和每個像素代表的實際體積值V0。

(2)

(3)

式中u——刻度格個數

2.3　體積標定結果

本次試驗過程中體積標定時，選取刻度格個數u為5，用黑色紙條覆蓋后統計該段刻度所包含的像素點個數N為219，運用式(2)計算每個刻度格所含像素個數M1為219/5，得到M1后再通過式(3)求得單個像素表示的實際體積V0為0.002 3 mL。

2.4　最小測量精度校正

通過體積標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，為驗證其準確性，使用微量移液器進行校正。

選用北京川布蘭生物技術開發有限公司生產的微量移液器，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，因此設定以0.000 6 mL為一定體積間隔進行校正。

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，統計該圖像所包含的像素個數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，每次注入后統計此時單粒谷物體積排液精確測量裝置內部液位圖像所含的像素個數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，γ2=γ1，第4次注入時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，當體積變化超過最小測量精度0.002 3 mL時，產生1個像素點的變化，因此最小測量精度為0.002 3 mL是準確的，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　試驗設計與單粒谷物體積計算

由于谷物種類繁多、形狀不規則、體積較小、易受潮，采用現有測量技術難以準確測量干燥的單粒不規則谷物體積。為解決此問題，設計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則、易吸水膨脹、體積難以精確測量的特點，選擇玉米作為試驗對象。設計對照試驗，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，遍歷統計該段圖像上所有像素點個數，結合體積標定得到的單個像素點代表的實際體積，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，并將圖像上傳至計算機。圖像采集過程中環境不變，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像素點RGB值并存入數組X和Y；其次，計算兩數組差的絕對值并保存到數組Z。

Z=abs(X-Y)

(4)

最后，將數組Z內RGB值轉換為圖像信息，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玉米體積計算

提取液位變化部分二值圖像上每個像素點的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，統計在該閾值條件下該圖像所含像素點個數M2。體積標定得到每個像素代表的體積V0，計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粒玉米進行體積測量，體積測量結果如圖6所示，測量用時為12 min。

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

3.2　對照試驗設計

為驗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，設計對照試驗，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。

比重瓶法是實驗室環境下測谷物體積的常用方法，能夠得到較為準確的多粒谷物體積，試驗器材包括比重瓶、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設備集中處理，否則會造成環境污染和資源浪費；天平選用上海精天電子儀器有限公司生產的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量為m0后，在比重瓶中裝滿蒸餾水并用天平稱得質量為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量為m1，通過溫度計測量蒸餾水的溫度，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量ms并裝進比重瓶，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量m2，計算單粒玉米體積為

(7)

使用比重瓶法測量100粒玉米體積，測量結果如圖7所示，測量用時為124 min。

3.3　試驗數據處理

同一組100粒干燥玉米用2種方法分別測量后，得到2組試驗數據，為驗證單粒谷物體積排液精確測量裝置的測量正確性，對兩組試驗數據進行歸納、處理和分析。

圖7　比重瓶法測量體積結果Fig.7　Measurement result of volume by pycnometer method

3.3.1基本統計處理

對2組試驗數據進行基本統計計算，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果的最大值、最小值、平均值、極差以及標準偏差，為格魯布斯檢驗、F檢驗和t檢驗做準備，其中平均值和標準偏差分別為

(8)

(9)

式中xi——樣本值n——樣本總數

同時，統計測量同一批谷物時2種測量方法所用時間。結果見表1。

表1　基本統計結果Tab.1　Basic statistical results

3.3.2格魯布斯檢驗

為了剔除由于過失誤差引起的異常數據，使用格魯布斯檢驗法進行離散值檢驗。首先，將原始試驗數據從小到大排序，并求得該組數據的平均值及標準偏差S；其次，計算統計量Ti

(10)

最后，將統計量Ti與格魯布斯檢驗值表中臨界值Tα,n比較(α為顯著性水平，即把正常值判為異常值時錯誤的概率，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。

結合兩種測量方法所測得的百粒玉米體積試驗數據，分別求出各自最大值和最小值的統計量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組原始數據無離散值，證明數據有效、準確。

3.3.3F檢驗

數據的標準偏差S可以反映該組數據的精度，不同組數據有不同的精度，檢驗2組數據精度之間有無顯著性差異需進行F檢驗。首先，計算F值為

(11)

3.3.4t檢驗

為比較2組數據平均值之間是否存在顯著性差異，需進行t檢驗。由于2組試驗數據的樣本量相同，計算t值為

(12)

將計算后所得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組數據平均值之間無顯著性差異。

結合表1數據，計算后所得tAB=0.543 0，同時取α=0.05，t0.05,198=1.98，即tAB

3.3.5數據處理結果分析

由上述格魯布斯檢驗、F檢驗、t檢驗3組檢驗結果可知，2組試驗數據之間無顯著性差異，表明2種測量方法均可實現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有毒液體，經測量后谷物需通過專業設備處理，避免危害環境，因此谷物無法循環利用，造成一定程度的浪費。而單粒谷物體積排液法測量環境無毒、快捷，測量后的谷物可重復使用，節約谷物資源。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　結論

(1)提出一種快速精確無毒的單粒谷物體積排液法，根據干燥谷物體積小且形狀不規則的特點，在色溫6 500 K的標準白光下采集測量圖像，增強液位變化識別度，結合圖像處理技術和排液法測體積原理實現準確測量干燥谷物體積。

(2)設計了一種谷物防吸水專用盛放裝置，測量時采用柔性包膜將干燥谷物與液體隔離并抽出內部空氣，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部結構。影響體積測量準確率及種子自身完整性。通過對照試驗，發現該裝置與常規測量方法測量結果相符合，滿足測量要求。

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

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