基于MATLAB GUI的棉株頂尖特征提取系統(tǒng)設(shè)計(jì)

韓大龍等

摘要：應(yīng)用 MATLAB軟件的圖形用戶界面（graphical user interface，GUI）工具討論了高級(jí)文件I/O相關(guān)函數(shù)的具體應(yīng)用，設(shè)計(jì)出簡(jiǎn)明、美觀的人機(jī)交互式界面，實(shí)現(xiàn)了棉株頂部圖像讀取、頂尖特征提取、顯示、保存等功能，通過(guò)調(diào)用mcc編程器進(jìn)行編譯，將設(shè)計(jì)好的程序轉(zhuǎn)化為獨(dú)立的“.exe”文件。本研究為基于機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的棉株頂尖識(shí)別研究奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：MATLAB；GUI；棉株頂尖；顏色特征；形狀特征

中圖分類號(hào)：S126；TP391.41 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1002-1302（2014）03-0346-03

1993—2010年新疆棉花生產(chǎn)基地的棉花種植面積、總產(chǎn)量居全國(guó)首位[1]，是國(guó)家扶持的重點(diǎn)農(nóng)業(yè)項(xiàng)目基地[2]。在“西部大開發(fā)”工作中，新疆堅(jiān)持棉花的戰(zhàn)略地位不動(dòng)搖，隨著棉花種植面積、產(chǎn)量的增加以及勞動(dòng)力短缺，全面推廣棉花生產(chǎn)全程機(jī)械化技術(shù)迫在眉睫。目前新疆棉花主要種植模式是矮、密、早，每年7月棉花打頂調(diào)控是棉花生產(chǎn)豐收的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[3-4]，由于目前國(guó)產(chǎn)棉花打頂機(jī)無(wú)法對(duì)棉株頂部定位、識(shí)別，導(dǎo)致機(jī)械打頂過(guò)程中存在大量漏打、誤打、損桃等問(wèn)題，嚴(yán)重影響棉花生長(zhǎng)和產(chǎn)量[3]，使得棉花機(jī)械打頂普及率較低，因此研究打頂機(jī)械對(duì)棉株頂尖的識(shí)別問(wèn)題是提高棉花機(jī)械打頂普及率的關(guān)鍵。劉俊奇利用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)對(duì)棉株的頂尖圖像進(jìn)行分割，并對(duì)其自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了相應(yīng)方案[5]。瞿端陽(yáng)等利用圖像分割技術(shù)提取棉株株頂與棉桃等部分的顏色特征，并結(jié)合BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)區(qū)分出株頂、棉桃等[6]。王勇等通過(guò)分析棉花不同部分顏色數(shù)據(jù)，建立了基于色差信息的識(shí)別模型，結(jié)合棉桃顏色信息和形狀特征，可以從背景環(huán)境中準(zhǔn)確識(shí)別棉桃并且獲取準(zhǔn)確的位置信息，識(shí)別率達(dá)到 85%[7]。楊福增等采用基于顏色和形狀特征的圖像處理方法，實(shí)現(xiàn)茶葉嫩芽的計(jì)算機(jī)識(shí)別和檢測(cè)，識(shí)別準(zhǔn)確率為 94%，為實(shí)現(xiàn)茶葉嫩芽的自動(dòng)采摘提供了有效方法[8]。劉婭靜等提出了基于顏色特征的分割算法，得到適于雜草圖像分割的顏色分量，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜場(chǎng)景、光照條件下雜草區(qū)和背景區(qū)的分割[9]。MATLAB軟件作為MathWorks公司開發(fā)的一種用于數(shù)值計(jì)算及可視化圖像處理的工程應(yīng)用軟件，在圖形圖像處理方面有強(qiáng)大功能和廣泛應(yīng)用。并且MATLAB軟件提供了高效、方便的圖形用戶界面（graphical user interface，GUI）設(shè)計(jì)功能，用戶可以簡(jiǎn)單、快速設(shè)計(jì)出直觀、便捷、強(qiáng)大的人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)預(yù)定功能[10-12]。本研究利用MATLAB_R2012b軟件設(shè)計(jì)開發(fā)了一套棉株頂尖特征提取系統(tǒng)，提出一種簡(jiǎn)單、快速提取棉株頂尖特征值的方法，以期為實(shí)現(xiàn)棉花打頂作業(yè)“一頂一芯”提供理論基礎(chǔ)。

1 設(shè)計(jì)路線

以棉株株頂靜態(tài)圖像為研究對(duì)象，應(yīng)用 MATLAB GUI 實(shí)現(xiàn)棉株株頂圖像輸入與顯示，株頂R、G、B、Y、Cb、Cr等6個(gè)顏色分量特征的直方圖曲線顯示，閾值范圍選取及顯示，頂尖形狀特征提取顯示，數(shù)據(jù)保存等功能。總體技術(shù)路線如圖1所示。

2 MATLAB GUI 界面開發(fā)

2.1 界面總體設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)人機(jī)交互操作界面時(shí)，選擇 MATLAB軟件主界面

“HOME”菜單、“New”子菜單下的“Graphical User Interface”項(xiàng)，啟動(dòng)“GUIDE”對(duì)話框，在 “Creat New GUI”菜單下4個(gè)選項(xiàng)中選擇空白模板“Blank GUI（Default）”，點(diǎn)擊 “OK” 后進(jìn)入 GUI 編輯界面。

在 “GUIDE”設(shè)計(jì)界面中，通過(guò)鼠標(biāo)拖動(dòng)方式創(chuàng)建GUI 程序界面。該界面選擇1 個(gè)彈出式菜單（Pop_up Menu）、2個(gè)滑動(dòng)條（Slider）、3個(gè)軸對(duì)象（Axes）、5個(gè)按鈕（Push Button）、5個(gè)文本框（Edit Text）、8 個(gè)靜態(tài)文本（Static Text）等對(duì)象，并擺放于合適位置。其中，彈出式菜單用于顏色分量的選取；滑動(dòng)條用于動(dòng)態(tài)閾值范圍的選擇；軸對(duì)象用于顯示棉株原始圖像，R、G、B等顏色模型下各顏色特征的直方圖曲線以及頂尖二值圖像；文本框用于相關(guān)值的顯示；靜態(tài)文本控件用于說(shuō)明相關(guān)坐標(biāo)軸的名稱等。界面設(shè)計(jì)結(jié)果如圖2所示。

3 結(jié)論

基于MATLAB軟件高效、強(qiáng)大的圖形用戶界面（GUI）設(shè)計(jì)出一種簡(jiǎn)單、快速提取棉株頂尖特征值的方法，為后續(xù)基于機(jī)器視覺(jué)的棉株頂尖識(shí)別奠定了基礎(chǔ)。本研究為其他基于顏色、形狀等特征的對(duì)象識(shí)別研究提供了一種快速提取特征信息的人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)方法。

參考文獻(xiàn)：

[1]田新椿，趙勇生. 對(duì)支持新疆棉花產(chǎn)業(yè)發(fā)展的思考[J]. 農(nóng)業(yè)發(fā)展與金融，2011（12）：69-70.

[2]劉俊奇，王維新，趙永滿. 棉花打頂機(jī)應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)的研究[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2008（9）：249-251.

[3]唐 軍，羅 昕，胡 斌，等. 3MDZK-12型單行仿形棉花打頂機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能試驗(yàn)研究[J]. 石河子大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2008，26（4）：511-514.

[4]劉俊奇.棉花株頂識(shí)別系統(tǒng)的研究[D]. 石河子：石河子大學(xué)，2009.

[5]瞿端陽(yáng)，王維新，馬本學(xué)，等. 基于顏色特征的棉株株頂識(shí)別研究[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2013，4（4）：40-43.

[6]王 勇，沈明霞，姬長(zhǎng)英. 基于顏色信息和形狀特征的棉桃識(shí)別方法[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2007，38（11）：77-79，87.

[7]楊福增，楊亮亮，田艷娜，等. 基于顏色和形狀特征的茶葉嫩芽識(shí)別方法[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2009，40（增刊）：119-123.

[8]劉婭靜，楊 帆，浦昭邦. 基于顏色特征的雜草圖像分割技術(shù)研究[J]. 微計(jì)算機(jī)信息，2007，23（18）：269-271.

[9]王 垚. 精通MATLAB GUI 設(shè)計(jì)[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[10]Choiy J，Mccarthy K L，Mccarthy M J. A MATLAB graphical user interface program for tomographic viscometer data processing[J]. Computers and Electronicsin Agriculture，2005，47（1）：59-67.

[11]陳 杰. MATLAB 寶典[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[12]羅華飛. MATLAB GUI 設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)手記[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011.