1种快速高效的水稻谷粒自动计数方法

田孟祥+张时龙+何友勋+余本勋+叶永印

摘要：谷粒计数是水稻考种的重要组成部分。针对目前水稻谷粒人工计数和光电计数方法的不足，探索出1种基于MATLAB图像处理技术的谷粒自动计数方法，其所需材料易得，操作简单，利用摄像头拍照获取图像，再应用软件分析处理，可实现谷粒自动计数。试验表明，该方法可实现水稻谷粒快速、准确地自动计数，不仅大大减轻了操作者劳动强度，而且极大地提高了工作效率，是一种高效的水稻粒数计数方法，有很强的实用性和重要推广意义。

关键词：MATLAB；图像处理；水稻；谷粒；自动计数

中图分类号： S126文献标志码： A文章编号：1002-1302（2014）02-0064-02

收稿日期：2013-06-13

基金项目：贵州省科技厅重大专项（编号：[2012]6005）；贵州省毕节市科技计划（编号：[2012]34-3）；贵州省毕节市农业科学研究所项目（编号：[2012]3）。

作者简介：田孟祥（1983—），男，贵州麻江人，硕士，助理研究员，主要从事水稻遗传育种研究。E-mail： tmengxiang@126.com。

通信作者：余本勋，研究员，主要从事水稻遗传育种研究。E-mail： bjriceybx@126.com。水稻是我国最重要的粮食作物之一，分布极广，南至海南省崖县，北至黑龙江省漠河县，东至台湾省，西至新疆都有种植[1]。目前已有大量从事水稻育种、栽培研究的人员，这些研究者在每年水稻收获后都要进行大批量的考种，其中谷粒计数是考种不可或缺的环节，是进行穗粒数、千粒重测定的组成部分。目前谷粒计数普遍采用人工计数方法或使用半自动光电计数器，但均存在高成本、低效率等缺点。经过不断实践，笔者探索出1种基于MATLAB图像处理技术的快速、高效水稻谷粒自动计数方法，其所需材料易得，操作简单，利用摄像头拍照获取图像，再应用软件进行分析处理，可实现谷粒自动计数，大大减轻了操作者劳动强度，极大地提高了工作效率，现对该方法进行详细介绍，旨在为水稻谷粒考种研究提供参考。

1材料与方法

1.1材料电脑1台，可连接电脑并具有拍照功能的摄像头（500万像素以上）1只，摄像头支架，LED拷贝台，水稻谷粒。

1.2方法

1.2.1水稻谷粒自动计数平台搭建MATLAB即矩阵实验室（Matrix Laboratory），由美国新墨西哥大学创建，最初只能进行简单的矩阵运算，经过不断发展和完善，现已成为具有超强数值计算、图形图像处理、仿真处理能力的国际公认优秀科技应用软件。MATLAB 具有很强的开放性和适应性，除主包外，还拥有各种工具箱，如图像处理工具箱、小波分析工具箱、信号处理工具箱、神经网络工具箱等，极大地方便了不同学科的研究工作[2]。另外，MATLAB 使用方法较为简单，使用用户非常熟悉的数学表达式来表达问题和求解，使其越来越受到国内外科技人员的青睐。本研究基于MATLAB的强大图像处理功能，利用可拍照摄像头、电脑、LED拷贝台等搭建了水稻谷粒自动计数平台，该平台各硬件组装配置如图1所示。

1.2.2水稻谷粒图像的采集将平台调试好后，在LED拷贝台上放置一定量水稻谷粒，谷粒间不能重叠，并保证谷粒在摄像头视野范围之内，启动摄像头的拍照功能，对谷粒拍照获取图像，将采集到的图像保存在MATLAB软件搜索路径中，便于图片的后续调用。如图像位置未在MATLAB软件搜索路径范围内，可利用addpath函数将其添加，用save函数保存。

1.2.3水稻谷粒图像处理及计数利用MATLAB软件的imread函数读入图像，再根据试验需要，先后对图像进行灰度处理、图像去噪、图像分割等操作。在图像处理中，须要进行距离变换，取局部极小值，其目的是把每粒谷粒缩小，使得粘连谷粒分离，确保计数的准确性。最后为连通域计数，连通域数量即为水稻谷粒数目。谷粒图像处理流程见图2。

1.2.4MATLAB程序代码根据设定的MATLAB图像处理步骤，将其编写成MATLAB程序代码如下。

2结果与分析

运行上述MATLAB图像处理程序，只需数秒即可在MATLAB命令窗口显示水稻谷粒数。对数量约为100、200、300、400粒谷粒进行多次测试，结果表明，MATLAB软件能快速、高效、自动地统计出谷粒数，统计数目与实际相符，准确率高达100%。本研究也发现，图像分割为程序最重要的部分，能否正确分割图像，影响统计数量的准确性，然而准确的图像分割需要有良好的图像质量，即背景与目标有明显的色调区分，将谷粒置于LED拷贝台上可达到试验目的，如没有LED拷贝台，可用白纸替代，必要时须补充光照以确保背景与目标区分明显。还须注意的是，在放置谷粒时谷粒可粘连，但不能重叠，否则会影响统计的准确性。图3为按照本试验程序将原始谷粒图像在MATLAB软件中处理后得到的一些图像情况，该次水稻谷粒数为121粒，与实际数目相符。

从图3可见，该方法可使粘连谷粒分离（方框区域），图3-a、图3-b、图3-c中3粒谷粒粘连，到图3-d中这 3粒谷粒相对缩小而成功实现分离，确保了统计准确性，从某种角度上说，也减轻了操作者的劳动强度。

利用MATLAB图像处理技术进行水稻谷粒计数既快速，又准确。值得一提的是，对于固定平台，该程序具有相对的稳定性，一次调试多次使用；当平台变动时，只须对该程序稍调整参数即可。因此对于固定平台，可将程序保存为软件可读的M格式文件，置于MATLAB软件的搜索路径中，每次进行谷粒计数时，只须在MATLAB软件的命令窗口中输入原先保存的M文件名，软件会立刻执行M文件里的程序，很快完成水稻谷粒计数，实现批量水稻谷粒考种。还须注意的是，须将获取的图像名称与程序中读入图像名称一致，否则程序无法读入目标图像，导致程序运行失败。另外，使用连接电脑的摄像头拍照获取图像，缩短了获取图像的时间，拍照后即可进行处理，大大提高了考种效率。

3结论与讨论

水稻谷粒计数是水稻考种的重要部分，也是耗时较多的环节。如何加快谷粒计数进度，提高考种效率，成为水稻科技工作者普遍关注的问题。已报道的水稻考种谷粒计数方法，有巫伯舜的穗枝梗法[3]，单春生[4]、许桂玲等[5]的称重法，陈铭官的大小穗平均法[6]等。但是，笔者发现这些方法存在工序复杂、准确度不高等问题，实用性有限。通过探索实践，本研究探索出基于MATLAB图像处理技术的水稻谷粒自动计

数方法，该方法以MATLAB软件为基础，利用摄像头连接电脑搭建获取图像平台，快速获取图像，调用软件或工具箱函数并进行适当修正组成图像处理程序，程序开发简单且具有相对的固定性，一次成型多次受益，方便、实用，只须放置稻谷，拍照并运行程序就可完成计数工作。

利用该MATLAB图像处理程序处理水稻谷粒图像，不管是单粒或粘连谷粒，均能进行准确、自动计数，准确率高达100%。该方法大大减轻了考种劳动强度，也弥补了人的精神及视觉容易疲劳等的不足，极大地提高了考种效率。除水稻谷粒计数外，该方法还适用于小麦、玉米、大豆等粒数计数，具有很高的使用价值和重要的推广意义。

参考文献：

[1]段玲玲，彭望瑗. 水稻栽培技术300问[M]. 北京：中国农业出版社，1997.

[2]张季，杨亚平. Matlab在医学图像处理中的应用[J]. 医学信息，2008，21（7）：1014-1017.

[3]巫伯舜. 快速测算水稻每穗粒数[J]. 农业科技通讯，1983（7）：12.

[4]单春生. 称重法快速测算水稻每穗粒数[J]. 种子世界，1986（2）：12.

[5]许桂玲，纪洪亭，潘剑，等. 水稻考种方法探析[J]. 中国农技推广，2012，28（6）：16-17.

[6]陈铭官. 在水稻考种中穗实粒数统计方法的研究[J]. 福建稻麦科技，2001，1（1）：12-13.

摘要：谷粒计数是水稻考种的重要组成部分。针对目前水稻谷粒人工计数和光电计数方法的不足，探索出1种基于MATLAB图像处理技术的谷粒自动计数方法，其所需材料易得，操作简单，利用摄像头拍照获取图像，再应用软件分析处理，可实现谷粒自动计数。试验表明，该方法可实现水稻谷粒快速、准确地自动计数，不仅大大减轻了操作者劳动强度，而且极大地提高了工作效率，是一种高效的水稻粒数计数方法，有很强的实用性和重要推广意义。

关键词：MATLAB；图像处理；水稻；谷粒；自动计数

中图分类号： S126文献标志码： A文章编号：1002-1302（2014）02-0064-02

收稿日期：2013-06-13

基金项目：贵州省科技厅重大专项（编号：[2012]6005）；贵州省毕节市科技计划（编号：[2012]34-3）；贵州省毕节市农业科学研究所项目（编号：[2012]3）。

作者简介：田孟祥（1983—），男，贵州麻江人，硕士，助理研究员，主要从事水稻遗传育种研究。E-mail： tmengxiang@126.com。

通信作者：余本勋，研究员，主要从事水稻遗传育种研究。E-mail： bjriceybx@126.com。水稻是我国最重要的粮食作物之一，分布极广，南至海南省崖县，北至黑龙江省漠河县，东至台湾省，西至新疆都有种植[1]。目前已有大量从事水稻育种、栽培研究的人员，这些研究者在每年水稻收获后都要进行大批量的考种，其中谷粒计数是考种不可或缺的环节，是进行穗粒数、千粒重测定的组成部分。目前谷粒计数普遍采用人工计数方法或使用半自动光电计数器，但均存在高成本、低效率等缺点。经过不断实践，笔者探索出1种基于MATLAB图像处理技术的快速、高效水稻谷粒自动计数方法，其所需材料易得，操作简单，利用摄像头拍照获取图像，再应用软件进行分析处理，可实现谷粒自动计数，大大减轻了操作者劳动强度，极大地提高了工作效率，现对该方法进行详细介绍，旨在为水稻谷粒考种研究提供参考。

1材料与方法

1.1材料电脑1台，可连接电脑并具有拍照功能的摄像头（500万像素以上）1只，摄像头支架，LED拷贝台，水稻谷粒。

1.2方法

1.2.1水稻谷粒自动计数平台搭建MATLAB即矩阵实验室（Matrix Laboratory），由美国新墨西哥大学创建，最初只能进行简单的矩阵运算，经过不断发展和完善，现已成为具有超强数值计算、图形图像处理、仿真处理能力的国际公认优秀科技应用软件。MATLAB 具有很强的开放性和适应性，除主包外，还拥有各种工具箱，如图像处理工具箱、小波分析工具箱、信号处理工具箱、神经网络工具箱等，极大地方便了不同学科的研究工作[2]。另外，MATLAB 使用方法较为简单，使用用户非常熟悉的数学表达式来表达问题和求解，使其越来越受到国内外科技人员的青睐。本研究基于MATLAB的强大图像处理功能，利用可拍照摄像头、电脑、LED拷贝台等搭建了水稻谷粒自动计数平台，该平台各硬件组装配置如图1所示。

1.2.2水稻谷粒图像的采集将平台调试好后，在LED拷贝台上放置一定量水稻谷粒，谷粒间不能重叠，并保证谷粒在摄像头视野范围之内，启动摄像头的拍照功能，对谷粒拍照获取图像，将采集到的图像保存在MATLAB软件搜索路径中，便于图片的后续调用。如图像位置未在MATLAB软件搜索路径范围内，可利用addpath函数将其添加，用save函数保存。

1.2.3水稻谷粒图像处理及计数利用MATLAB软件的imread函数读入图像，再根据试验需要，先后对图像进行灰度处理、图像去噪、图像分割等操作。在图像处理中，须要进行距离变换，取局部极小值，其目的是把每粒谷粒缩小，使得粘连谷粒分离，确保计数的准确性。最后为连通域计数，连通域数量即为水稻谷粒数目。谷粒图像处理流程见图2。

1.2.4MATLAB程序代码根据设定的MATLAB图像处理步骤，将其编写成MATLAB程序代码如下。

2结果与分析

运行上述MATLAB图像处理程序，只需数秒即可在MATLAB命令窗口显示水稻谷粒数。对数量约为100、200、300、400粒谷粒进行多次测试，结果表明，MATLAB软件能快速、高效、自动地统计出谷粒数，统计数目与实际相符，准确率高达100%。本研究也发现，图像分割为程序最重要的部分，能否正确分割图像，影响统计数量的准确性，然而准确的图像分割需要有良好的图像质量，即背景与目标有明显的色调区分，将谷粒置于LED拷贝台上可达到试验目的，如没有LED拷贝台，可用白纸替代，必要时须补充光照以确保背景与目标区分明显。还须注意的是，在放置谷粒时谷粒可粘连，但不能重叠，否则会影响统计的准确性。图3为按照本试验程序将原始谷粒图像在MATLAB软件中处理后得到的一些图像情况，该次水稻谷粒数为121粒，与实际数目相符。

从图3可见，该方法可使粘连谷粒分离（方框区域），图3-a、图3-b、图3-c中3粒谷粒粘连，到图3-d中这 3粒谷粒相对缩小而成功实现分离，确保了统计准确性，从某种角度上说，也减轻了操作者的劳动强度。

利用MATLAB图像处理技术进行水稻谷粒计数既快速，又准确。值得一提的是，对于固定平台，该程序具有相对的稳定性，一次调试多次使用；当平台变动时，只须对该程序稍调整参数即可。因此对于固定平台，可将程序保存为软件可读的M格式文件，置于MATLAB软件的搜索路径中，每次进行谷粒计数时，只须在MATLAB软件的命令窗口中输入原先保存的M文件名，软件会立刻执行M文件里的程序，很快完成水稻谷粒计数，实现批量水稻谷粒考种。还须注意的是，须将获取的图像名称与程序中读入图像名称一致，否则程序无法读入目标图像，导致程序运行失败。另外，使用连接电脑的摄像头拍照获取图像，缩短了获取图像的时间，拍照后即可进行处理，大大提高了考种效率。

3结论与讨论

水稻谷粒计数是水稻考种的重要部分，也是耗时较多的环节。如何加快谷粒计数进度，提高考种效率，成为水稻科技工作者普遍关注的问题。已报道的水稻考种谷粒计数方法，有巫伯舜的穗枝梗法[3]，单春生[4]、许桂玲等[5]的称重法，陈铭官的大小穗平均法[6]等。但是，笔者发现这些方法存在工序复杂、准确度不高等问题，实用性有限。通过探索实践，本研究探索出基于MATLAB图像处理技术的水稻谷粒自动计

数方法，该方法以MATLAB软件为基础，利用摄像头连接电脑搭建获取图像平台，快速获取图像，调用软件或工具箱函数并进行适当修正组成图像处理程序，程序开发简单且具有相对的固定性，一次成型多次受益，方便、实用，只须放置稻谷，拍照并运行程序就可完成计数工作。

利用该MATLAB图像处理程序处理水稻谷粒图像，不管是单粒或粘连谷粒，均能进行准确、自动计数，准确率高达100%。该方法大大减轻了考种劳动强度，也弥补了人的精神及视觉容易疲劳等的不足，极大地提高了考种效率。除水稻谷粒计数外，该方法还适用于小麦、玉米、大豆等粒数计数，具有很高的使用价值和重要的推广意义。

参考文献：

[1]段玲玲，彭望瑗. 水稻栽培技术300问[M]. 北京：中国农业出版社，1997.

[2]张季，杨亚平. Matlab在医学图像处理中的应用[J]. 医学信息，2008，21（7）：1014-1017.

[3]巫伯舜. 快速测算水稻每穗粒数[J]. 农业科技通讯，1983（7）：12.

[4]单春生. 称重法快速测算水稻每穗粒数[J]. 种子世界，1986（2）：12.

[5]许桂玲，纪洪亭，潘剑，等. 水稻考种方法探析[J]. 中国农技推广，2012，28（6）：16-17.

[6]陈铭官. 在水稻考种中穗实粒数统计方法的研究[J]. 福建稻麦科技，2001，1（1）：12-13.

摘要：谷粒计数是水稻考种的重要组成部分。针对目前水稻谷粒人工计数和光电计数方法的不足，探索出1种基于MATLAB图像处理技术的谷粒自动计数方法，其所需材料易得，操作简单，利用摄像头拍照获取图像，再应用软件分析处理，可实现谷粒自动计数。试验表明，该方法可实现水稻谷粒快速、准确地自动计数，不仅大大减轻了操作者劳动强度，而且极大地提高了工作效率，是一种高效的水稻粒数计数方法，有很强的实用性和重要推广意义。

关键词：MATLAB；图像处理；水稻；谷粒；自动计数

中图分类号： S126文献标志码： A文章编号：1002-1302（2014）02-0064-02

收稿日期：2013-06-13

基金项目：贵州省科技厅重大专项（编号：[2012]6005）；贵州省毕节市科技计划（编号：[2012]34-3）；贵州省毕节市农业科学研究所项目（编号：[2012]3）。

作者简介：田孟祥（1983—），男，贵州麻江人，硕士，助理研究员，主要从事水稻遗传育种研究。E-mail： tmengxiang@126.com。

通信作者：余本勋，研究员，主要从事水稻遗传育种研究。E-mail： bjriceybx@126.com。水稻是我国最重要的粮食作物之一，分布极广，南至海南省崖县，北至黑龙江省漠河县，东至台湾省，西至新疆都有种植[1]。目前已有大量从事水稻育种、栽培研究的人员，这些研究者在每年水稻收获后都要进行大批量的考种，其中谷粒计数是考种不可或缺的环节，是进行穗粒数、千粒重测定的组成部分。目前谷粒计数普遍采用人工计数方法或使用半自动光电计数器，但均存在高成本、低效率等缺点。经过不断实践，笔者探索出1种基于MATLAB图像处理技术的快速、高效水稻谷粒自动计数方法，其所需材料易得，操作简单，利用摄像头拍照获取图像，再应用软件进行分析处理，可实现谷粒自动计数，大大减轻了操作者劳动强度，极大地提高了工作效率，现对该方法进行详细介绍，旨在为水稻谷粒考种研究提供参考。

1材料与方法

1.1材料电脑1台，可连接电脑并具有拍照功能的摄像头（500万像素以上）1只，摄像头支架，LED拷贝台，水稻谷粒。

1.2方法

1.2.1水稻谷粒自动计数平台搭建MATLAB即矩阵实验室（Matrix Laboratory），由美国新墨西哥大学创建，最初只能进行简单的矩阵运算，经过不断发展和完善，现已成为具有超强数值计算、图形图像处理、仿真处理能力的国际公认优秀科技应用软件。MATLAB 具有很强的开放性和适应性，除主包外，还拥有各种工具箱，如图像处理工具箱、小波分析工具箱、信号处理工具箱、神经网络工具箱等，极大地方便了不同学科的研究工作[2]。另外，MATLAB 使用方法较为简单，使用用户非常熟悉的数学表达式来表达问题和求解，使其越来越受到国内外科技人员的青睐。本研究基于MATLAB的强大图像处理功能，利用可拍照摄像头、电脑、LED拷贝台等搭建了水稻谷粒自动计数平台，该平台各硬件组装配置如图1所示。

1.2.2水稻谷粒图像的采集将平台调试好后，在LED拷贝台上放置一定量水稻谷粒，谷粒间不能重叠，并保证谷粒在摄像头视野范围之内，启动摄像头的拍照功能，对谷粒拍照获取图像，将采集到的图像保存在MATLAB软件搜索路径中，便于图片的后续调用。如图像位置未在MATLAB软件搜索路径范围内，可利用addpath函数将其添加，用save函数保存。

1.2.3水稻谷粒图像处理及计数利用MATLAB软件的imread函数读入图像，再根据试验需要，先后对图像进行灰度处理、图像去噪、图像分割等操作。在图像处理中，须要进行距离变换，取局部极小值，其目的是把每粒谷粒缩小，使得粘连谷粒分离，确保计数的准确性。最后为连通域计数，连通域数量即为水稻谷粒数目。谷粒图像处理流程见图2。

1.2.4MATLAB程序代码根据设定的MATLAB图像处理步骤，将其编写成MATLAB程序代码如下。

2结果与分析

运行上述MATLAB图像处理程序，只需数秒即可在MATLAB命令窗口显示水稻谷粒数。对数量约为100、200、300、400粒谷粒进行多次测试，结果表明，MATLAB软件能快速、高效、自动地统计出谷粒数，统计数目与实际相符，准确率高达100%。本研究也发现，图像分割为程序最重要的部分，能否正确分割图像，影响统计数量的准确性，然而准确的图像分割需要有良好的图像质量，即背景与目标有明显的色调区分，将谷粒置于LED拷贝台上可达到试验目的，如没有LED拷贝台，可用白纸替代，必要时须补充光照以确保背景与目标区分明显。还须注意的是，在放置谷粒时谷粒可粘连，但不能重叠，否则会影响统计的准确性。图3为按照本试验程序将原始谷粒图像在MATLAB软件中处理后得到的一些图像情况，该次水稻谷粒数为121粒，与实际数目相符。

从图3可见，该方法可使粘连谷粒分离（方框区域），图3-a、图3-b、图3-c中3粒谷粒粘连，到图3-d中这 3粒谷粒相对缩小而成功实现分离，确保了统计准确性，从某种角度上说，也减轻了操作者的劳动强度。

利用MATLAB图像处理技术进行水稻谷粒计数既快速，又准确。值得一提的是，对于固定平台，该程序具有相对的稳定性，一次调试多次使用；当平台变动时，只须对该程序稍调整参数即可。因此对于固定平台，可将程序保存为软件可读的M格式文件，置于MATLAB软件的搜索路径中，每次进行谷粒计数时，只须在MATLAB软件的命令窗口中输入原先保存的M文件名，软件会立刻执行M文件里的程序，很快完成水稻谷粒计数，实现批量水稻谷粒考种。还须注意的是，须将获取的图像名称与程序中读入图像名称一致，否则程序无法读入目标图像，导致程序运行失败。另外，使用连接电脑的摄像头拍照获取图像，缩短了获取图像的时间，拍照后即可进行处理，大大提高了考种效率。

3结论与讨论

水稻谷粒计数是水稻考种的重要部分，也是耗时较多的环节。如何加快谷粒计数进度，提高考种效率，成为水稻科技工作者普遍关注的问题。已报道的水稻考种谷粒计数方法，有巫伯舜的穗枝梗法[3]，单春生[4]、许桂玲等[5]的称重法，陈铭官的大小穗平均法[6]等。但是，笔者发现这些方法存在工序复杂、准确度不高等问题，实用性有限。通过探索实践，本研究探索出基于MATLAB图像处理技术的水稻谷粒自动计

数方法，该方法以MATLAB软件为基础，利用摄像头连接电脑搭建获取图像平台，快速获取图像，调用软件或工具箱函数并进行适当修正组成图像处理程序，程序开发简单且具有相对的固定性，一次成型多次受益，方便、实用，只须放置稻谷，拍照并运行程序就可完成计数工作。

利用该MATLAB图像处理程序处理水稻谷粒图像，不管是单粒或粘连谷粒，均能进行准确、自动计数，准确率高达100%。该方法大大减轻了考种劳动强度，也弥补了人的精神及视觉容易疲劳等的不足，极大地提高了考种效率。除水稻谷粒计数外，该方法还适用于小麦、玉米、大豆等粒数计数，具有很高的使用价值和重要的推广意义。

参考文献：

[1]段玲玲，彭望瑗. 水稻栽培技术300问[M]. 北京：中国农业出版社，1997.

[2]张季，杨亚平. Matlab在医学图像处理中的应用[J]. 医学信息，2008，21（7）：1014-1017.

[3]巫伯舜. 快速测算水稻每穗粒数[J]. 农业科技通讯，1983（7）：12.

[4]单春生. 称重法快速测算水稻每穗粒数[J]. 种子世界，1986（2）：12.

[5]许桂玲，纪洪亭，潘剑，等. 水稻考种方法探析[J]. 中国农技推广，2012，28（6）：16-17.

[6]陈铭官. 在水稻考种中穗实粒数统计方法的研究[J]. 福建稻麦科技，2001，1（1）：12-13.