玉米果穗輪廓提取及其網站開發的研究

馬麗 姜熠昕 郭旋 王福真 趙晨宇 代亭山

摘要：為了實現基于計算機視覺技術建立農產品無損檢測系統，本文闡釋了一套基于OpenCV和MPC平臺的玉米果穗輪廓提取系統。首先通過玉米果穗側面圖像，對圖像進行預處理及邊緣提取，得到相應的玉米果穗表面幾何特征參數值;其次獲取玉米果穗穗粒分布圖，通過對研究對象進行閾值分級，將每一區域相似的果穗粒分割，并提取出穗粒，最后轉化確定后的像素值，獲取玉米果穗穗粒分布圖。根據玉米果穗二值圖像自動檢測得到的外部幾何特征和玉米穗粒分布區域圖像，為玉米果穗的識別提供了新的方法，加快了果穗識別速度，為玉米烤種、育種提供新的參考。最后針對以上研究成果，構建玉米果穗輪廓提取網站。

關鍵詞：機器視覺;玉米果穗;機器學習;二值圖像

基金項目：吉林省科技廳科技引導計劃項目（20180412036XH）;吉林省大創項目：基于機器視覺的玉米果穗輪廓提取方法研究、基MOOC+SPOC的高校課堂教學系統構建、智能剝椰殼機支持支持項目

中圖分類號：TP391.41 文獻標識碼：A DOI編號：10.14025/j.cnki.dlny.2019.15.077

隨著信息技術的不斷發展和廣泛應用，計算機視覺技術在各個行業，特別是農業工程的各個領域也得到了迅速發展。該自動檢測技術具有檢測速度快，檢測標準均勻的優點，在許多領域引起了人們的關注。玉米育種指標主要依靠玉米穗的形態特征來判斷標準，包括玉米果穗的大小、粒數、行數等。科學合理的選擇已成為相當大多數農業生產者提供援助的實用方法。由于其可以提供準確有效的種子選擇系統，與傳統的手工檢測農產品形態特征的方法相比，不僅速度慢，而且投入成本高。此外，其很容易受到人們主觀意識的影響，農產品質量無法標準化，以及基于計算機視覺技術的自動檢測系統的出現，其改變了現有傳統產業的發展模式，對推動農業工程自動化的發展起到了重要作用。

1圖像與數據采集

1.1二值圖像采集

在參考整個圖像和數據采集系統的設計思想后，設計了系統所需要的功能，即完成圖像采集和信息的傳輸內容。在設備選用上，選用了佳能（型號為：EOS200 D套機EF-$18-55 mm+EF50 mm f/1.8s）相機，來獲取玉米的整體輪廓，為了清晰獲得玉米輪廓，提高識別度，本研究采用了白熾光照明，增加亮度，并且確保周圍無反光材質。系統硬件處理采用華碩x-450型號電腦（CPU主頻為2.6GHz，顯存容量為3GB，內存為500G）進行整個操作。基于MicrosoftVisual Studio 2010平臺，開發了本圖像處理算法，使用OpenCV（Open Source Computer Vision Library）開源工具包，實現圖像處理與分析。

1.2玉米果穗圖像的預處理

圖像預處理的工作主要包括：圖像灰度化處理和圖像增強。灰度處理的技術流程為：將三維彩色圖像轉換為二維灰度圖像，加速圖像處理并減少后續圖像處理和識別所需的工作量。提高整個系統的效率和準確性;圖像增強使圖像的背景信息變弱。改善圖像的辨別力，使圖像模糊不易。在決定使用哪種過濾方法時，有必要遵循實驗研究中圖像的具體要求，反復試驗找到最適合的濾波方法。

2玉米輪廓檢測分析方法

2.1玉米果穗表面幾何特征的檢測分析方法研究

使用玉米穗側面的任何圖像進行預處理和提取圖像，然后使用像素逐個掃描標記，以獲得長度和寬度的四個邊界的最鄰近像素位置。計算像素坐標以獲得玉米穗表面的相應幾何參數。

2.2玉米果穗表面數量特征的檢測分析方法研究

使用分級閾值的分割方法，確定每個相似區域中的尖峰閾值，提取核，然后變換每個閾值圖像的像素值。對滿足要求的尖峰圖像進行成像，最后形成玉米穗和谷粒分布圖。

2.3獲取玉米果穗穗粒分布圖

通過玉米穗二元圖像自動檢測的外部幾何特征（長度，寬度和長寬比）和玉米穗顆粒分布圖檢測到的玉米穗粒總數，為玉米穗育種的表面性狀自動檢測提供了技術理論。

3玉米果穗輪廓提取

玉米果穗圖像二值化處理是將獲取到的玉米果穗樣本圖像轉化為只有黑白兩色的圖像，這樣可以更加清楚和快速的獲取玉米果穗外部輪廓信息，圖像經過二值化處理之后，能夠快速提取實現玉米果穗邊緣像素點信息，進行輪廓提取及相關特征計算。

玉米果穗圖像二值化的操作是，將獲得的玉米穗樣品的圖像轉換成僅具有黑色和白色的圖像。通過這種方式的處理，可以更清晰、更快速地獲得玉米穗的外輪廓信息，并在圖像二值化后，可以快速提取玉米穗邊緣的像素信息，提取輪廓和相關特征。

4網站構建技術需求

4.1建設后臺

利用框架ssm建設后臺，將后臺的代碼同一進行處理，在網站的前臺使用的Jquery，使用ajax動態生成下拉框，使用jsp和html以及其他Web語言編寫。HTTP協議是無狀態協議，這意味著每次HTTP請求需要與服務器建立連接以進行數據傳輸時，服務器還需要啟動一個單獨的線程來處理http請求。減少http請求的主要方法包括合并CSS、JavaScript、圖像等，從而減少瀏覽器請求的數量。

4.2使用瀏覽器緩存

通過設置http頭的Cache-Control和Expires屬性，可以設置瀏覽器緩存。在某些時候靜態資源文件的變化需要客戶端瀏覽器及時更新，這種情況下可通過更改文件名實現，即可以更新javaScript文件而不是更新JavaScript文件內容，生成一個新的Js文件，并更新http文件中的引用。

4.3啟動壓縮

在頁面執行中，頁面通訊量過大會影響傳輸效率，使頁面打開速度降低。為HTTP、CSS、JavaScript等應用啟用Gzip壓縮可以實現更好的壓縮，并減少通信傳輸的數據量。CSS位于頁面頂部，JavaScript位于頁面底部。當瀏覽器加載JavaScript時，其會立即執行，有時會阻塞整個頁面，導致顯示速度太慢，因此，JavaScript最好放在頁面底部。使用該壓縮后，會大大減少通訊量，提高通訊效率。

4.4減小cookie的傳輸

cookie包含在每個http請求和響應報文中，當cookie數據太大時，它將影響網絡數據傳輸。例如，在訪問CSS和JavaScript等靜態資源時，不需要傳輸cookie，在動態資源訪問時為實現交互才進行cookie傳輸。

4.5使用MyBatis

MyBatis是iBatis大版本號的增強版。業務邏輯接口和數據接口之間的耦合被削弱，并且視圖層變得更加多樣化。MyBatis和Hibernate是對象關系映射框架，旨在允許Java程序員使用對象編程思想來操作數據庫。

4.6應用Spring開發“一站式”選擇

Spring是一個全面的框架，專注于J2EE應用程序的各個層，而不僅僅是關注解決方案的一個層，并貫穿表示層、業務層和持久層。但是，Spring不想替換現有的框架，其可以與其他框架無縫集成。

5結語

近年來.玉米產業的快速發展，玉米相關研究逐漸走進人們的視野，能不能種出良好的玉米關乎到我國民生問題。玉米穗的研究主要用于圖像采集技術，圖像處理算法和圖像預處理方法。在構建網站時，使用框架ssm還有在網站的前臺用Jquery以及ajax，還有jsp、html等常用的網頁語言進行編寫。在該研究中，開發出了一個玉米果穗的輪廓提取系統，能夠提取玉米果穗的側面圖像，處理和提取圖像以獲得關于玉米穗的一些數據。下一步，將對此進行更加深層次的探索，并且該提取系統功能有待繼續完善和開發。