種子破損率快速檢測方法研究

摘要：旋耕播種機推廣鑒定時，需要人工檢測種子的破損率。為提高檢測效率，以小麥種子為例，對種子破損率快速檢測方法進行研究。設(shè)計種子破損率自動檢測平臺，可一次性采集50 g小麥種子圖像，基于圖像處理技術(shù)和機器學(xué)習(xí)方法，提取小麥種子圖像13個形狀特征和8個紋理特征，建立基于特征的種子破損識別模型；識別的破損種子圖像與種子質(zhì)量的關(guān)系，建立基于圖像的破損種子質(zhì)量預(yù)測模型，按照鑒定大綱要求實現(xiàn)小麥種子破損率的快速檢測。對江蘇省“丹陽001”“A888”“泰州014”“無錫004”4個品種的小麥種子破損率進行試驗測試，每個品種3次取樣測定。結(jié)果表明：4個品種小麥種子破損率自動檢測的平均相對誤差分別為0.08%、0.07%、0.06%、0.08%，檢測的相對均方根誤差為0.08%，檢測平均時長為5.216 s。該研究實現(xiàn)小麥種子破損率自動、快速檢測，節(jié)省農(nóng)機鑒定時間，推動農(nóng)機鑒定過程的標準化和智能化。

關(guān)鍵詞：小麥種子；旋耕播種機；圖像處理；破損率；機器學(xué)習(xí)

中圖分類號：S126; S512" " " 文獻標識碼：A" " " 文章編號：2095?5553 （2024） 09?0104?07

Research on a rapid detection method for seed breakage rate

Yang Haoyong Wang Chaozhu Liu Haoyi Guan Xintong Liu Yingying Ding Yongqian

（1. Jiangsu Agricultural Machinery Testing and Appraisal Station， Nanjing， 210017， China;

2. College of Artificial Intelligence， Nanjing Agricultural University， Nanjing， 210031， China;

3. College of Engineering， Nanjing Agricultural University， Nanjing， 210031， China）

Abstract： When the rotary tillage seeder is popularized and appraised， it is necessary to measure the damage rate of seeds manually. In order to improve the detection efficiency， this paper takes wheat seeds as an example to study the rapid detection method of seed breakage rate. The automatic detection platform of seed breakage rate was designed， which could collect 50 g wheat seed images at one time. Based on image processing technology and machine learning methods， 13 shape features and 8 texture features of wheat seed images were extracted， and a feature?based seed damage recognition model was established. The relationship between the identified damaged seed images and seed quality was studied， and an image?based broken seed quality prediction model was established， and the rapid detection of wheat seed damage rate was realized according to the requirements of the identification outline. In this study， the seed breakage rate of four wheat varieties as “Danyang 001” “A888” “Taizhou 014” and “Wuxi 004” in Jiangsu Province was experimentally tested， and each variety was sampled and measured for three times. The experimental results showed that the average relative errors of the automatic detection of seed breakage rate of the four wheat varieties were 0.08%， 0.07%， 0.06% and 0.08%， respectively， and the relative root mean square error of the detection was 0.08%， and the average detection time was 5.216 s. In this study， the automatic and rapid detection of wheat seed damage rate was realized， which saved the time of agricultural machinery identification and promoted the standardization and intelligence of agricultural machinery identification process.

Keywords： wheat seed; rotary tillage seeder; image processing; breakage rate; machine learning

0 引言

隨著我國農(nóng)業(yè)機械化自主生產(chǎn)能力的提升，農(nóng)業(yè)機械的鑒定工作從推廣鑒定發(fā)展到專項鑒定進入了規(guī)范化管理階段。種子破損率是旋耕播種機推廣鑒定的評價內(nèi)容之一，也是評價旋耕播種機作業(yè)質(zhì)量的重要指標。根據(jù)《農(nóng)業(yè)機械推廣鑒定大綱—旋耕播種機》[1]規(guī)定，旋耕播種機在種子破損率性能鑒定中，需要在各個排種器排出的種子中取出3份種子樣品，每個樣品質(zhì)量約100 g（小粒種子約50 g），人工選出其中破損的種子稱其質(zhì)量，計算破損種子質(zhì)量占樣本總質(zhì)量的百分比取平均值，再減去試驗前測定的種子原始破損率，整個測定工作比較繁瑣。

目前，農(nóng)機鑒定中種子破損率的檢測主要是通過專業(yè)質(zhì)檢人員人工挑揀出破損的種子，以小麥種子為例，50 g種子大約有1 200粒，三份種子樣品3 600粒，人工挑選出破損種子，然后稱其質(zhì)量進行測試，工作量和勞動強度比較大，檢測主觀性強，難以保證鑒定的客觀性和檢測數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，新的檢測方法如光譜技術(shù)和可見光成像技術(shù)等相繼應(yīng)用在谷物檢測中[2?5]。近年，許多學(xué)者也利用深度學(xué)習(xí)方法進行谷物完整性圖像識別研究，取得很大進展[6?9]。但上述方法僅用于谷物破損粒識別，未將破損粒檢測和種子質(zhì)量結(jié)合進行農(nóng)機推廣鑒定中破損率的檢測。

本研究以江蘇省常見小麥種子為研究對象，搭建種子破損率檢測平臺，采集小麥種子圖像，通過機器學(xué)習(xí)方法進行麥種完整性檢測，建立破損小麥種子圖像與質(zhì)量的函數(shù)關(guān)系，計算檢測出的破損種子質(zhì)量，按照鑒定推廣大綱要求完成種子破損率的自動檢測。

1 材料和方法

1.1 樣本制備

選取江蘇省不同地區(qū)廣泛種植的四種小麥作為研究對象。對四種小麥外形尺寸和破損率進行統(tǒng)計，數(shù)據(jù)見表1。依據(jù)小麥種子的外形尺寸制作圖像采集取樣模板，取樣板尺寸（長×寬）為40 cm×30 cm，上面設(shè)有1 200個橢圓凹槽，每個凹槽長8 mm、寬4 mm、厚3 mm，一次大約擺放50 g小麥種子。小麥種子原始破損率比較低，為了獲取更多破損種子樣本，將小麥種子多次通過播種機，人為破壞制作破損種子樣本。圖像獲取與訓(xùn)練過程圖如圖1所示，種子破損率檢測過程如圖2所示。

1.2 麥種破損率快速檢測平臺

檢測平臺由工業(yè)相機、光源、采集箱、采樣板和圖像處理端組成，如圖3所示。

工業(yè)相機采用華谷動力工業(yè)相機，型號為WP-US2000，分辨率為2 000萬級，視野大小300 mm×400 mm，拍攝高度500 mm。補光系統(tǒng)采用方形光源，光源采用面陣白色LED燈，大小為500 mm×500 mm，中間開圓孔，孔徑大小60 mm；光源色溫在5 000～10 000 K，亮度可調(diào)。圖像采集箱是一個內(nèi)壁為黑色的長方體，側(cè)面可以打開，放置待檢測麥種。麥種放置在取樣板上，取樣板高度可調(diào)。圖像處理端采用的圖像采集軟件是WorkVision5，處理軟件為Matlab2019。電腦配置為Intel（R） Xeon（R） Silver 4210R CPU@2.40 GHz，NVIDIA GeForce RTX 3090顯卡，顯存24 GB。該平臺內(nèi)側(cè)上端放置光源，光源中間開孔位置放置工業(yè)相機。垂直距離相機500 mm處放置采樣板。圖像處理端與相機通過USB進行通訊。

1.3 圖像獲取與處理

利用搭建的檢測平臺拍攝完整小麥圖像和破損小麥圖像，每種小麥拍攝10幅圖像。圖像大小（長×寬）為4 500像素×3 500像素。拍攝圖像如圖4所示。

為了減少噪聲和光照不均等對圖像質(zhì)量帶來的影響，便于后續(xù)特征提取和數(shù)據(jù)分析，本研究對采集的圖像進行預(yù)處理操作。圖像預(yù)處理主要包括對采集到的圖像進行灰度化、去噪、Otsu分割和形態(tài)學(xué)操作。Otsu法是一種全局閾值自動選取方法，基本原理是以目標和背景的最大類間方差選取閾值。

1） 獲取小麥種子圖像的歸一化直方圖。

每幅圖像共1 200個麥粒（約50 g），根據(jù)邊緣檢測結(jié)果對麥粒特征進行提取。每個麥粒共提取21種特征，其中包括形狀特征13種和紋理特征8種[10， 11]。

形狀特征是對單粒麥種圖像區(qū)域和邊緣輪廓等特點的描述。13個形狀特征描述如下：（1）面積：單個小麥種子輪廓線內(nèi)包含的所有像素個數(shù)；（2）長軸：將小麥種子擬合為橢圓之后，橢圓的長軸；（3）短軸：將小麥種子擬合為橢圓之后，橢圓的短軸；（4）周長：小麥種子外輪廓線的長度；（5）粒型：小麥種子的長軸與短軸之比；（6）圓形度：小麥種子的邊界形狀接近圓的程度；（7）偏心率：將小麥種子擬合為橢圓之后，兩焦點間的距離與長軸的比值；（8）緊實度：麥粒面積與矩形框面積之比；（9）矩形度：體現(xiàn)物體對其外接矩形的充滿程度，小麥連通域面積與最小矩形框面積之比；（10）近似圓直徑：與麥粒面積有相同面積的圓的直徑；（11）延伸度：麥粒面積的延伸程度；（12）Feret最大值：沿一定方向測得的小麥顆粒投影輪廓兩邊界平行線間的最大距離；（13）Feret最小值：沿一定方向測得的小麥顆粒投影輪廓兩邊界平行線間的最小距離。形狀特征提取如表2所示。

紋理特征是對麥粒圖像區(qū)域內(nèi)部灰度級變化的量化。具有旋轉(zhuǎn)不變性，可以很好地詮釋麥粒圖像表面性質(zhì)的全局特征。8種紋理特征描述如下：（1）灰度均值：小麥圖像各像素點灰度值的平均值；（2）標準偏差：小麥圖像灰度值的變化幅度；（3）平滑度：評價小麥圖像表面灰度標準偏差變化的程度；（4）直方圖一致性：直方圖灰度概率的平方和；（5）能量：圖像共生矩陣內(nèi)每個元素的歸一化數(shù)值的平方和；（6）對比度：一個像素在整個圖像上與其相鄰像素間灰度對比的測度；（7）相關(guān)性：一個像素與其相鄰像素相關(guān)程度的像素；（8）同質(zhì)性：共生矩陣元素對角線分布的空間緊密度。紋理特征提取如表3所示。

1.4 檢測模型

破損粒識別模型訓(xùn)練選用二次支持向量機（Q-SVM）、加權(quán)最近鄰分類器（W-KNN）、高斯樸素貝葉斯（GN-Bayes）、邏輯回歸（LR）和線性判別（LD）五種機器學(xué)習(xí)方法進行[12]。

操作步驟如下：（1）數(shù)據(jù)準備：拍攝4個品種的小麥圖像各10幅，分別提取完整麥粒的特征參數(shù)和破損麥粒的特征參數(shù)；（2）數(shù)據(jù)集劃分：按照訓(xùn)練集：測試集=9∶1進行數(shù)據(jù)集劃分，建立特征向量矩陣和標簽向量；（3）訓(xùn)練模型：使用五種模型對數(shù)據(jù)進行訓(xùn)練，指定訓(xùn)練數(shù)據(jù)和相關(guān)參數(shù)；（4）模型評價：通過對比5種模型訓(xùn)練的準確率、精確率、召回率和AUC值來對所有模型的性能進行評估;（5）性能對比分析，選取最佳破損粒識別模型。

破損粒質(zhì)量預(yù)測模型訓(xùn)練選用線性回歸方法，操作步驟如下：（1）數(shù)據(jù)準備：選取不同質(zhì)量的小麥破損籽粒樣本20份，提取破損籽粒圖像特征；（2）數(shù)據(jù)選取：利用PCA（主成分分析）選取與質(zhì)量高度相關(guān)的圖像特征；（3）模型訓(xùn)練：采用線性回歸方法進行數(shù)據(jù)訓(xùn)練，建立麥種圖像特征與質(zhì)量之間的函數(shù)關(guān)系；（4）模型評價：以準確率進行模型評價。

2 結(jié)果與分析

2.1 破損粒識別模型

為分析網(wǎng)絡(luò)模型的識別性能，以識別準確率Acc、精確率P、召回率R、AUC值作為評判標準，確定最優(yōu)模型。準確率用于評判模型的全局準確程度。AUC值：ROC曲線下與坐標軸圍成的面積，AUC值越接近1.0，檢測方法真實性越高[13]。本文使用混淆矩陣作為評價模型的可視化工具，如表4所示。5種機器學(xué)習(xí)模型性能評價指標參數(shù)如表5所示。

對比分析這五種模型的準確率、精確率、召回率和AUC值，最終確定Q-SVM模型為最優(yōu)模型。分別將4個品種的完整麥粒圖像和破損麥粒圖像通過Q-SVM模型來判斷模型的誤檢粒數(shù)，判斷模型對完整麥粒與破損麥粒的檢測結(jié)果如圖7所示。圖7中完整麥粒出現(xiàn)誤檢的原因主要是由于完整麥粒不是特別飽滿，從實際檢測圖像上看與破損麥粒相似；破損麥粒出現(xiàn)誤檢的原因主要是人為制作破損麥粒時，麥粒破損的程度比較小。

2.2 破損種子質(zhì)量預(yù)估模型

選取不同質(zhì)量的破損種子，稱其質(zhì)量并提取圖像面積像素，建立圖像面積與種子質(zhì)量的關(guān)系模型。麥種的圖像面積與質(zhì)量之間成線性相關(guān)性，如圖8所示，相關(guān)系數(shù)R2為0.964 7，可以利用麥種圖像面積來預(yù)測質(zhì)量。

通過面積與質(zhì)量的關(guān)系預(yù)測4組麥種的質(zhì)量，結(jié)果如表6所示。大綱要求破損種子質(zhì)量檢測精度為0.1 g，實際檢測精度為0.01 g，滿足大綱要求。根據(jù)四組樣本測試結(jié)果計算平均相對誤差、均方誤差和均方根誤差來驗證模型的可靠性。

根據(jù)表6可以計算，平均相對誤差為0.07，均方誤差為0.01，均方根誤差為0.07，面積預(yù)測質(zhì)量模型可以較好的預(yù)估破損小麥的質(zhì)量，誤差要求符合鑒定大綱標準規(guī)定。

2.3 種子破損率快速檢測

3 結(jié)論

本研究搭建小麥破損率快速檢測平臺，利用圖像處理技術(shù)和機器學(xué)習(xí)方法對“丹陽001”“無錫004”“A888”和“泰州014”四種小麥品種的破損率進行檢測。

1） 以江蘇省小麥種子為例，通過圖像處理方法采集小麥21個特征參數(shù)，共提取10張完整小麥圖像特征和10張破損小麥圖像特征。應(yīng)用機器學(xué)習(xí)方法，將完整小麥與破損小麥進行識別分類，利用線性回歸預(yù)測破損小麥質(zhì)量，根據(jù)鑒定大綱要求完成小麥種子破損率得檢測。然后通過提取的破損小麥面積像素與質(zhì)量構(gòu)建線性回歸方程，最終計算出小麥破損率。

2） 通過對比5種傳統(tǒng)機器學(xué)習(xí)方法，最終確定Q-SVM對小麥完整與破損的分類效果最好，其準確率可達91.70%，精確率為94.54%，召回率為96.63%，AUC值為0.97。

3） 提取破損小麥的面積像素與實際質(zhì)量構(gòu)建線性回歸方程，其預(yù)測質(zhì)量與實際質(zhì)量的平均相對誤差約為0.07，均方誤差為0.01，均方根誤差為0.07，面積預(yù)測質(zhì)量模型可以很好地預(yù)估破損小麥的質(zhì)量。

4） 利用本研究方法對四種小麥品種進行破損率檢測。試驗結(jié)果表明，Q-SVM模型與像素面積預(yù)估質(zhì)量模型相結(jié)合對小麥種子的破損率檢測具有較高的準確率。在對“丹陽001”“A888”“泰州014”和“無錫004”四種小麥品種進行破損率檢測時，檢測平均相對誤差分別為0.08%、0.07%、0.06%、0.08%，測試結(jié)果的相對均方根誤差為0.08%。單個樣本的檢測時間為5.216 s，實現(xiàn)旋耕機播種鑒定推廣中種子破損率的快速、準確檢測。該檢測方法不僅可以提高播種機性能鑒定的效率，也可以為后續(xù)農(nóng)業(yè)機具智能化和標準化鑒定提供方法借鑒和數(shù)據(jù)支撐。

參 考 文 獻

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