单粒谷物体积排液法精确测量研究

刘双喜　孙林林　付千悦　王　震　张春庆　王金星,2

(1.山东农业大学机械与电子工程学院， 泰安 271018； 2.山东省园艺机械与装备重点实验室， 泰安 271018；3.山东农业大学农学院， 泰安 271018)

0　引言

谷物表型形状尤其是体积参数的简便、快速、准确测量在谷物科学研究中至关重要。测量外形不规则谷物体积通常使用排液法，但干燥谷物会快速吸水膨胀，产生测量误差,同时吸水后谷物内部会出现裂纹导致品质下降[1]。为避免谷物吸水膨胀，实验室环境下常使用比重瓶法结合甲苯溶液测量谷物的平均体积。随着计算机与软件技术的快速发展，使得借助计算机技术测量不规则物体体积成为可能。根据测量原理的不同，不规则物体体积的测量技术主要分为激光传感测量[2]和计算机视觉测量[3-4],激光测量具有非接触、长距离和抗干扰的优点，更适合在户外大范围测量应用[5-8]。在不规则物体测量方面，国内外学者已取得一些成就。RICCABONA等[9]使用三维超声方法测量不规则物体体积。LEE等[10]提出一种使用非破坏性方法测量不规则形状物体体积的机器视觉系统，以固定角度间隔旋转物体并拍摄物体轮廓，对不同视角获得的轮廓进行整合来重建物体的三维线框模型，通过在线框模型表面拟合近似测量物体体积。OMID等[11]提出一种测量柑橘类水果体积的方法，使用两架相机采集水果的垂直视图，通过将果实图像分成多个基本的椭圆形截头圆锥体来计算水果体积。GONI等[12]使用基于表面横截面设计的逆向工程方法进行固体食品材料的三维重建，使用计算机视觉系统获取不规则多维食品横截面的数字图像，开发了一种基于有限元法估测体积的方法。WANG等[13]设计了一种低成本传感器，实现了自动计算对称农产品体积，将测量对象图像近似为基本右锥形截头圆锥体的总和来计算体积。JR等[14]提出一种基于微机技术精确量化不规则形状物体的计算机断层扫描(CT)测量体积，并对物体进行三维重建。曹毓等[15]针对形状不规则路面目标物提出的路面三维点云优化方法速度快，且三维重建效果及目标物的体积计算精度能满足实际要求。邢冀川等[16]基于激光三角法研发了一种车厢体积测量系统，采用三阶灰度矩阵边缘检测算法精确提取车厢部分，通过车厢体积分割技术精确计算车厢体积。龚爱平等[17]提出了基于三维线框模型的图像处理方法计算不规则类球体形状农产品的体积，可较精确测量球体农产品的体积。

综合分析国内外研究现状，现有不规则物体体积测量方法主要面向外形特点显著且大体积物体，还无法精确测量不规则小物体体积。由于干燥的谷物体积小、形状不规则，为更精确测量谷物体积，本文设计一种单粒谷物体积排液法精确测量装置，使用高精度线阵CCD相机采集谷物测量过程中的液位图像，运用计算机处理液位图像，最终计算谷物体积，从而简化谷物体积测量工作，提高单粒不规则谷物体积测量精度和效率。

1　整体结构及工作原理

1.1　整体结构

图1　单粒谷物体积排液精确测量装置Fig.1　Accurate measuring instruments of single grain volume draining method1.水平调节滑轨　2.固定底板　3.测量容器　4.谷物专用盛放袋　5.谷物　6.背景板　7.LED灯条　8.LED专用遮光板　9.高精度线阵CCD相机　10.CCD调节装置　11.数据线　12.计算机

单粒谷物体积排液精确测量装置主要由计算机、标准白光光源、高精度线阵CCD相机、CCD调节装置、测量容器、谷物专用盛放袋、背景板、固定底板等构成，装置如图1所示。其中测量容器、谷物专用盛放袋和固定底板3部分组成测量部分，主要用于排液法测量单粒谷物体积。标准白光光源、高精度线阵CCD、CCD调节装置以及背景板构成图像信息采集系统，其中标准白光光源由LED灯条和LED专用散光板构成[19]，色温为6 500 K[18]，营造最佳拍摄环境，以采集排液法测量体积过程中前后2次液面高度图像信息。计算机主要负责图像处理、液面高度变化值提取以及计算谷物体积。其中高精度线阵CCD相机选用DALSA的PC-30-04K80型彩色线扫描相机，像素为4 096。背景板为绿色，测量容器内为水和墨水混合后的黑色溶液，以提高背景与前景物体的色彩对比度，便于提取液面高度。图2所示谷物专用盛放袋为柔性包膜材料，使用时排尽内部空气制成真空环境，保证盛放袋内部与谷物最大程度紧密贴合，避免存在空隙，在排液法测量体积过程中能够将干燥谷物与液体隔离，防止谷物吸水膨胀。

图2　谷物专用盛放装置Fig.2　Grain-specific storage device1.谷物专用盛放袋　2.载重物　3.谷物　4.拉绳

1.2　工作原理

单粒谷物体积排液精确测量装置工作时，首先向测量容器内倒入水和墨水的混合液体，通过CCD调节装置调节高精度线阵CCD相机的拍摄位置，调节标准白色光光源，增强图像采集环境，使液位变化效果更易识别。其次，将未放入谷物的谷物专用盛放袋内部空气排出形成真空环境，用高精度线阵CCD相机采集该装置浸入测量容器前后液位图像，提取液位变化部分图像，统计该段图像所包含的像素个数，结合体积标定所建立的单个像素与实际体积之间关系，计算谷物专用盛放袋体积V1。最后，将谷物放入谷物专用盛放袋，排尽内部空气，避免装置与谷物之间出现空隙，实现最大程度贴合，用线阵CCD相机采集该装置浸入测量容器后液位图像，再次计算此时体积V2，最终得到单粒谷物体积

V=V2-V1

(1)

其中，测量容器有多种内径规格，可根据谷物大小选用不同内径规格的测量容器。

2　测量装置标定

2.1　刻度选取

图3　测量容器中轴线部位图像信息Fig.3　Image information of measuring vessel central axis

为建立实际体积与像素之间的关系，需根据高精度线阵CCD采集测量容器的图像信息进行体积标定[20-21]。首先，在测量容器上选取u个刻度，每个刻度格代表0.1 mL体积；其次，用黑色纸条将该段刻度覆盖，覆盖范围从第一个刻度中间位置到最后一个刻度中间位置；最后，利用高精度线阵CCD相机采集测量容器中轴线部位的图像信息，如图3所示，黑色部分是用来覆盖刻度的黑色纸条。

2.2　建立像素点与实际体积之间关系

采用计算机逐行遍历图3所示图像，提取图像上所有像素点的RGB值。由于所选取刻度区域已用黑色纸条覆盖，可限定RGB 3通道阈值TR、TG、TB均为零，测量容器每个刻度代表体积为0.1 mL，统计图像上满足3个限定阈值的全部像素点个数N，分别计算每个刻度格包含的像素个数M1和每个像素代表的实际体积值V0。

(2)

(3)

式中u——刻度格个数

2.3　体积标定结果

本次试验过程中体积标定时，选取刻度格个数u为5，用黑色纸条覆盖后统计该段刻度所包含的像素点个数N为219，运用式(2)计算每个刻度格所含像素个数M1为219/5，得到M1后再通过式(3)求得单个像素表示的实际体积V0为0.002 3 mL。

2.4　最小测量精度校正

通过体积标定得到单粒谷物体积排液精确测量装置的最小测量精度为0.002 3 mL，为验证其准确性，使用微量移液器进行校正。

选用北京川布兰生物技术开发有限公司生产的微量移液器，型号为HST-MAP-H10、量取范围为0.000 5～0.01 mL，由于最小测量精度为0.002 3 mL，因此设定以0.000 6 mL为一定体积间隔进行校正。

先使用微量移液器在单粒谷物体积排液精确测量装置中装入适量液体，并采集液位图像，统计该图像所包含的像素个数γ1；然后使用微量移液器每次量取0.000 6 mL液体注入单粒谷物体积排液精确测量装置中，每次注入后统计此时单粒谷物体积排液精确测量装置内部液位图像所含的像素个数γ2；微量移液器前3次向单粒谷物体积排液精确测量装置注入液体时，γ2=γ1，第4次注入时γ2-γ1=1，微量移液器4次注入液体总体积为0.002 4 mL，由于0.002 4大于0.002 3，当体积变化超过最小测量精度0.002 3 mL时，产生1个像素点的变化，因此最小测量精度为0.002 3 mL是准确的，单粒谷物体积排液精确测量装置可用于测量单粒谷物体积。

3　试验设计与单粒谷物体积计算

由于谷物种类繁多、形状不规则、体积较小、易受潮，采用现有测量技术难以准确测量干燥的单粒不规则谷物体积。为解决此问题，设计了一种单粒谷物体积排液精确测量装置，能够提高测量精确度和测量速率。

针对干燥玉米形状不规则、易吸水膨胀、体积难以精确测量的特点，选择玉米作为试验对象。设计对照试验，选取100粒干燥玉米，如图4所示，对每粒玉米分别使用单粒谷物体积排液法和比重瓶法测量体积。

图4　百粒玉米图Fig.4　Diagram of one hundred corns

3.1　单粒谷物体积排液法

3.1.1确定谷物专用盛放袋体积

测量谷物体积前确定谷物专用盛放袋的体积。使用高精度线阵CCD相机采集谷物专用盛放袋浸入测量容器前后液位图像，利用差值法处理高精度CCD相机前后2次采集的液位图像，提取测量前后液位变化部分图像，遍历统计该段图像上所有像素点个数，结合体积标定得到的单个像素点代表的实际体积，最终确定谷物专用盛放装置的体积V1。

3.1.2提取液面高度变化部分图像

将玉米放入谷物专用盛放袋后，使用高精度线阵CCD相机采集该装置浸入测量容器前后液位图像，并将图像上传至计算机。图像采集过程中环境不变，变化部分仅为谷物专用盛放装置浸入测量容器前后的液位变化。首先，分别提取液位变化前后图像所包含的每个像素点RGB值并存入数组X和Y；其次，计算两数组差的绝对值并保存到数组Z。

Z=abs(X-Y)

(4)

最后，将数组Z内RGB值转换为图像信息，并做单阈值分割，得到液位变化部分二值图像。具体图像处理过程如图5所示，图像尺寸为1像素×4 096像素，即高度为4 096像素，宽度为1像素。

图5　图像处理过程Fig.5　Image processing

3.1.3玉米体积计算

提取液位变化部分二值图像上每个像素点的RGB值，因图像为二值图像，黑色部分为液位变化部分图像，可限定阈值T=0，统计在该阈值条件下该图像所含像素点个数M2。体积标定得到每个像素代表的体积V0，计算玉米和谷物专用盛放袋总体积为

V2=V0M2

(5)

使用单粒谷物体积排液精确测量装置对100粒玉米进行体积测量，体积测量结果如图6所示，测量用时为12 min。

图6　单粒谷物体积排液法测量玉米体积结果Fig.6　Measurement result of volume by accurate measuring instruments

3.2　对照试验设计

为验证本文单粒谷物体积排液精确测量装置的测量正确率与测量速率，设计对照试验，对同一组玉米按相同顺序采用比重瓶法测量单粒玉米体积。

比重瓶法是实验室环境下测谷物体积的常用方法，能够得到较为准确的多粒谷物体积，试验器材包括比重瓶、甲苯溶液、天平及蒸馏水。甲苯溶液为有毒易挥发液体，对人体伤害极大，且每测量一组谷物体积后就需要更换新的甲苯溶液，而更换后的废液需要专业设备集中处理，否则会造成环境污染和资源浪费；天平选用上海精天电子仪器有限公司生产的JA5003A型电子精密天平，精度为0.001 g；比重瓶仅用于盛放甲苯溶液，无刻度。

比重瓶法测体积过程中，用天平称得比重瓶质量为m0后，在比重瓶中装满蒸馏水并用天平称得质量为mw，再将蒸馏水倒出后在比重瓶中装满甲苯溶液用天平称得质量为m1，通过温度计测量蒸馏水的温度，并在密度表中查找蒸馏水密度ρw(g/cm3)，计算甲苯溶液密度为

(6)

测得甲苯溶液密度后，用天平称量每粒玉米质量ms并装进比重瓶，然后向比重瓶中倒入甲苯溶液浸没玉米后轻轻摇动比重瓶，促使玉米表面及折痕处的空气排出。排尽空气后再将甲苯溶液装满比重瓶并称得质量m2，计算单粒玉米体积为

(7)

使用比重瓶法测量100粒玉米体积，测量结果如图7所示，测量用时为124 min。

3.3　试验数据处理

同一组100粒干燥玉米用2种方法分别测量后，得到2组试验数据，为验证单粒谷物体积排液精确测量装置的测量正确性，对两组试验数据进行归纳、处理和分析。

图7　比重瓶法测量体积结果Fig.7　Measurement result of volume by pycnometer method

3.3.1基本统计处理

对2组试验数据进行基本统计计算，分别求出单粒谷物体积排液精确测量装置和比重瓶法所测得体积结果的最大值、最小值、平均值、极差以及标准偏差，为格鲁布斯检验、F检验和t检验做准备，其中平均值和标准偏差分别为

(8)

(9)

式中xi——样本值n——样本总数

同时，统计测量同一批谷物时2种测量方法所用时间。结果见表1。

表1　基本统计结果Tab.1　Basic statistical results

3.3.2格鲁布斯检验

为了剔除由于过失误差引起的异常数据，使用格鲁布斯检验法进行离散值检验。首先，将原始试验数据从小到大排序，并求得该组数据的平均值及标准偏差S；其次，计算统计量Ti

(10)

最后，将统计量Ti与格鲁布斯检验值表中临界值Tα,n比较(α为显著性水平，即把正常值判为异常值时错误的概率，n为样本量)，如果Ti≥Tα,n，说明xi为离散值，必须舍去，反之予以保留。

结合两种测量方法所测得的百粒玉米体积试验数据，分别求出各自最大值和最小值的统计量T：TAmin=1.480 4，TAmax=2.688 8，TBmin=1.718 7，TBmax=2.687 5，则TAmin≤TA≤TAmax，TBmin≤TB≤TBmax；查询格鲁布斯检验值表，取α=0.05，T0.05,100=3.21，将TAmin、TAmax、TBmin、TBmax分别与T0.05,100比较，均小于T0.05,100，因此2组原始数据无离散值，证明数据有效、准确。

3.3.3F检验

数据的标准偏差S可以反映该组数据的精度，不同组数据有不同的精度，检验2组数据精度之间有无显著性差异需进行F检验。首先，计算F值为

(11)

3.3.4t检验

为比较2组数据平均值之间是否存在显著性差异，需进行t检验。由于2组试验数据的样本量相同，计算t值为

(12)

将计算后所得t值与t分布表中的tα,(n1+n2-2)比较，如果t≤tα,(n1+n2-2)，则说明2组数据平均值之间无显著性差异。

结合表1数据，计算后所得tAB=0.543 0，同时取α=0.05，t0.05,198=1.98，即tAB

3.3.5数据处理结果分析

由上述格鲁布斯检验、F检验、t检验3组检验结果可知，2组试验数据之间无显著性差异，表明2种测量方法均可实现精确测量单粒谷物体积；由于比重瓶法测量体积过程中使用的甲苯溶液为易挥发有毒液体，经测量后谷物需通过专业设备处理，避免危害环境，因此谷物无法循环利用，造成一定程度的浪费。而单粒谷物体积排液法测量环境无毒、快捷，测量后的谷物可重复使用，节约谷物资源。因此，单粒谷物体积排液法可以代替比重瓶法测量单粒谷物体积，并保证高精度测量。

4　结论

(1)提出一种快速精确无毒的单粒谷物体积排液法，根据干燥谷物体积小且形状不规则的特点，在色温6 500 K的标准白光下采集测量图像，增强液位变化识别度，结合图像处理技术和排液法测体积原理实现准确测量干燥谷物体积。

(2)设计了一种谷物防吸水专用盛放装置，测量时采用柔性包膜将干燥谷物与液体隔离并抽出内部空气，使包膜与谷物表面最大程度贴合。该装置可避免干燥谷物吸水膨胀后损坏内部结构。影响体积测量准确率及种子自身完整性。通过对照试验，发现该装置与常规测量方法测量结果相符合，满足测量要求。

(3)测量同一组谷物体积时，单粒谷物体积排液法用时12 min，比重瓶法用时124 min；对单粒谷物体积排液法测量结果与比重瓶法测量结果分别使用格鲁布斯检验、F检验、t检验作分析对比：(TA、TB)

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