基于機(jī)器視覺(jué)判別瓜類嫁接苗成活的試驗(yàn)研究

蘇穎欣,張躍峰,辜 松

(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院/南方農(nóng)業(yè)機(jī)械與裝備關(guān)鍵技術(shù)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣州 510642;2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,北京 100125)

0 引言

隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的不斷推進(jìn),機(jī)器視覺(jué)技術(shù)逐漸被應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中,有效地提高了農(nóng)作物生產(chǎn)的效率。人們的生活水平不斷提高,蔬菜的需求量越來(lái)越大,傳統(tǒng)的蔬菜生產(chǎn)模式已無(wú)法滿足市場(chǎng)需求,因此蔬菜生產(chǎn)正朝著規(guī)?；⒆詣?dòng)化和產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展。其中,瓜類作物中需求量比較大的黃瓜、西瓜等由于土傳病害的影響無(wú)法連作,導(dǎo)致產(chǎn)量和品質(zhì)下降,通過(guò)嫁接技術(shù)可以解決土傳病害問(wèn)題,提高產(chǎn)量,改善品質(zhì)。嫁接苗的生產(chǎn)一般包括播種、育苗、嫁接、愈合和煉苗等過(guò)程,愈合過(guò)程一般為7天[1-2]。對(duì)于嫁接苗規(guī)模化生產(chǎn),如果縮短愈合期的時(shí)間,可以大幅地提高嫁接苗愈合裝置利用率和嫁接苗的生產(chǎn)率。以往判別嫁接苗的成活依靠的是人工觀察接穗真葉的出芽情況[3],這種判別方法會(huì)延遲判別嫁接苗實(shí)際成活的時(shí)間點(diǎn),影響愈合裝置的使用效率,降低嫁接苗規(guī)?；a(chǎn)效率。嫁接苗的生產(chǎn)量大,在規(guī)模化生產(chǎn)的過(guò)程中需要愈合裝置的高效周轉(zhuǎn)才能實(shí)現(xiàn)蔬菜嫁接苗的高效生產(chǎn)。為此,提出基于機(jī)器視覺(jué)技術(shù),在瓜類嫁接苗愈合期實(shí)時(shí)觀測(cè)嫁接苗生長(zhǎng)狀態(tài)的方法,通過(guò)比對(duì)愈合初期嫁接苗的形態(tài)判斷嫁接苗的愈合情況,提前判別出嫁接苗的成活狀態(tài),從而改善愈合裝置的使用效率,進(jìn)一步提高嫁接苗規(guī)模化生產(chǎn)的效率。

1 嫁接苗成活判別方法

嫁接苗的成活特征是接穗的生長(zhǎng),因此本試驗(yàn)判別嫁接苗成活的方法是利用Cognex In-Sight Explorer視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)接穗的形態(tài)特征進(jìn)行提取[4],訓(xùn)練出開始愈合時(shí)接穗形態(tài)的模板,隨后在愈合期間連續(xù)獲取接穗圖像與訓(xùn)練模板進(jìn)行比對(duì)。當(dāng)接穗生長(zhǎng)時(shí)愈合接穗形態(tài)與原來(lái)模板必然會(huì)出現(xiàn)差異,以此判斷嫁接苗的成活。

本文提出的基于Cognex In-Sight Explorer視覺(jué)系統(tǒng)的接穗生長(zhǎng)特征提取方法,技術(shù)路線如圖1所示,具體效果如圖2所示。

圖1 嫁接苗成活判別技術(shù)路線Fig.1 Grafting seedling survival judgment technology route

圖2 圖像處理流程Fig.2 Flow chart of image processing

2 機(jī)器視覺(jué)測(cè)試裝置搭建

2.1 嫁接苗愈合裝置

嫁接苗的愈合需要無(wú)光、高濕的環(huán)境[5],而高濕的環(huán)境會(huì)使鏡頭表面形成白霧而阻礙正常圖像的采集。為了防止高濕對(duì)圖像采集的影響,本試驗(yàn)將CCD相機(jī)放置在正對(duì)愈合裝置的外側(cè)。愈合裝置內(nèi)部搭建了雙層載物旋轉(zhuǎn)臺(tái),每層可放16株嫁接苗,由PLC控制伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)雙層載物旋轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)[6]。為便于二值化處理,防止嫁接苗之間的干擾,圖像背景選為白色,每株嫁接苗之間利用白色PP板隔開。愈合裝置設(shè)計(jì)原理圖如圖3所示。

圖3 愈合裝置結(jié)構(gòu)原理圖Fig.3 Schematic diagram of the healing device structure

閉環(huán)系統(tǒng)偏差定義為:參考輸入信號(hào)r(t)與測(cè)量反饋信號(hào)b(t)之間的差[7],即e(t)=r(t)-b(t)。

嫁接苗愈合裝置的溫度保持22～25℃,相對(duì)濕度保持90%以上有利于嫁接愈合[3-5]。本試驗(yàn)基于閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理[6-7],利用51單片機(jī)預(yù)設(shè)愈合裝置參考溫濕度為Ti、RHi,溫濕度采集傳感器(ASAIR-AM2105)檢測(cè)室內(nèi)實(shí)時(shí)的溫濕度TO、RHO,反饋給控制器,控制器計(jì)算出偏差值,輸出電信號(hào)控制制冷器和加濕器的啟停。愈合裝置控制原理圖如圖4所示。

圖4 愈合裝置控制原理圖Fig.4 Schematic diagram of the healing room control

2.2 機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)

機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)主要是由相機(jī)(Cognex In-Sight 1100)、計(jì)算機(jī)2(雙核CPU,7.89GB,顯卡Intel(R)HD Graphics 4000)及光源(JZD無(wú)頻閃燈帶220V,2000W)等3個(gè)模塊組成,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

1.相機(jī)時(shí)性 2.計(jì)算機(jī) 3.條形光源圖5 機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic diagram of the machine vision system

本試驗(yàn)研究主要基于Cognex公司的In-Sight Explorer視覺(jué)系統(tǒng),具有卓越的元件檢測(cè)、識(shí)別、引導(dǎo)功能和眾多圖像處理工具,包括PatMax、PatMax Redline等特有的算法[4],可以對(duì)嫁接苗的接穗子葉特征進(jìn)行提取并訓(xùn)練。EasyBuilder用戶界面具有強(qiáng)大的靈活性,可以實(shí)現(xiàn)快速、簡(jiǎn)便地判別嫁接苗的成活,使用界面如圖6所示。

圖6 EasyBuilder使用界面Fig.6 EasyBuilder interface

3 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)研究的對(duì)象為黃瓜嫁接苗,選用黃瓜做接穗,南瓜做砧木。種子是中國(guó)農(nóng)科院蔬菜花卉研究所研制的粵秀3號(hào)青瓜和蜜本3號(hào)南瓜。選用飽滿的種子,用100倍福爾馬林溶液浸泡20min,用清水洗干凈,再用清水浸泡2h后至于30°C恒溫箱內(nèi)進(jìn)行催芽,1天即可出芽播種。砧木(南瓜)比接穗(黃瓜)早播4天,待接穗幼苗子葉展開,砧木幼苗第1片真葉至10mm高時(shí)開始嫁接操作。本試驗(yàn)采用插接法嫁接,去除砧木的真葉,取粗0.2～0.3mm的竹簽,將竹簽的尖端緊貼砧木一子葉基部的內(nèi)側(cè),向另一子葉的下方斜插,插入深度為0.5mm左右,不穿破砧木表皮。用刀片從黃瓜子葉下約0.5mm處入刀,在相對(duì)的兩側(cè)面切一刀,切面長(zhǎng)0.5～0.7mm,刀口要保持平滑。接穗削好后,即將竹簽從砧木中拔出,并插入接穗,插入的深度以削口與砧木插孔平為度[8-9]。一般的嫁接方法如圖7所示。本文為了便于觀察和提取嫁接苗的生長(zhǎng)信息,采用砧木子葉與接穗子葉平行嫁接的方法。

圖7 嫁接方法Fig.7 Grafting method

將嫁接完的嫁接苗逐株放置在愈合裝置內(nèi)的旋轉(zhuǎn)臺(tái)上,并把愈合裝置的門封閉,調(diào)整好相機(jī)高度和焦距后,打開電源;運(yùn)行并記錄愈合裝置內(nèi)部溫濕度,愈合裝置內(nèi)部的溫度維持在21～23℃之間,相對(duì)濕度維持在88%～93%之間;利用PLC的實(shí)時(shí)時(shí)鐘指令控制伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)每隔3h開始旋轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)16個(gè)位置,每個(gè)位置停留30s,相機(jī)的I/O通訊模塊接收到觸發(fā)信號(hào)采集一幅圖像,然后旋轉(zhuǎn)臺(tái)開始旋轉(zhuǎn)到下一個(gè)位置,直至轉(zhuǎn)完360°為止;從嫁接苗開始愈合時(shí)訓(xùn)練接穗的形態(tài),對(duì)嫁接苗的接穗子葉生長(zhǎng)形態(tài)相似度進(jìn)行比對(duì)和分析。

4 結(jié)果與討論

4.1 試驗(yàn)結(jié)果

基于上述試驗(yàn)方法對(duì)嫁接苗進(jìn)行連續(xù)7天的觀測(cè),嫁接苗在愈合期的生長(zhǎng)變化情況如圖8所示。本試驗(yàn)利用Cognex In-Sight Explorer 視覺(jué)系統(tǒng)提取嫁接苗接穗子葉特征,訓(xùn)練模板并比對(duì)接穗子葉的相似度,計(jì)算得分。選出具有代表性的成活與未成活嫁接苗各2株,繪制出接穗子葉相似度變化曲線圖,如圖9所示。

圖9 接穗子葉相似度得分變化曲線圖Fig.9 Similarity curves of scion cotyledon

4.2 結(jié)果討論

結(jié)合圖7和圖8可以看出:由于嫁接導(dǎo)致的組織損傷和愈合環(huán)境的改變,成活與未成活的嫁接苗接穗子葉生長(zhǎng)形態(tài)在第1天有較大的變化,相似度不斷下降;第2～3天為嫁接苗的愈合期,砧木和接穗在傷口接合出會(huì)產(chǎn)生愈合組織,砧木和接穗間細(xì)胞開始滲透交流水分和養(yǎng)分[1-3]。因此,在這一階段可以明顯地看出成活與未成活的嫁接苗曲線圖走勢(shì)的差異:未成活的嫁接苗接穗萎蔫情況嚴(yán)重,已完全死亡,接穗子葉的相似度急劇下降至0%;成活嫁接苗在整個(gè)愈合期接穗子葉相似度在30%～40%之間波動(dòng)。由于愈合裝置內(nèi)部相對(duì)濕度為88%～93%,不是一個(gè)恒定值,因此不同采集圖像的時(shí)間點(diǎn)濕度也不一樣,在利用機(jī)器視覺(jué)判別嫁接苗相似度時(shí)會(huì)有波動(dòng)。這說(shuō)明,愈合裝置內(nèi)部的濕度變化會(huì)對(duì)相似度的判斷有影響。

5 結(jié)論

1)利用Cognex In-Sight Explorer視覺(jué)系統(tǒng)持續(xù)性地監(jiān)測(cè)嫁接苗接穗子葉的相似度變化情況,結(jié)果表明:在第3天,未成活嫁接苗相似度急劇下降至0%,而成活嫁接苗相似度仍能維持在30%～40%之間且沒(méi)出現(xiàn)急劇下降的情況,由此可判別出成活的嫁接苗。

2)愈合裝置的濕度變化對(duì)嫁接苗接穗子葉相似度的判斷有影響。

3)該方法與傳統(tǒng)的接穗真葉觀察法相比,可提前1～2天確定嫁接苗的成活狀態(tài),加快嫁接苗的愈合周期,提高了嫁接愈合裝置的利用率,可為嫁接苗愈合后續(xù)補(bǔ)光、通風(fēng)及煉苗提前提供參考。