基于機(jī)器視覺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,蔬菜的需求量越來越大,傳統(tǒng)的蔬菜生產(chǎn)模式已無法滿足市場需求,因此蔬菜生產(chǎn)正朝著規(guī)?；?、自動(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法連作,導(dǎo)致產(chǎn)量和品質(zhì)下降,通過嫁接技術(shù)可以解決土傳病害問題,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、愈合和煉苗等過程,愈合過程一般為7天[1-2]。對于嫁接苗規(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)模化生產(chǎn)效率。嫁接苗的生產(chǎn)量大,在規(guī)?；a(chǎn)的過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)器視覺技術(shù),在瓜類嫁接苗愈合期實(shí)時(shí)觀測嫁接苗生長狀態(tài)的方法,通過比對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,因此本試驗(yàn)判別嫁接苗成活的方法是利用Cognex In-Sight Explorer視覺系統(tǒng)對接穗的形態(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。當(dāng)接穗生長時(shí)愈合接穗形態(tài)與原來模板必然會出現(xiàn)差異,以此判斷嫁接苗的成活。

本文提出的基于Cognex In-Sight Explorer視覺系統(tǒng)的接穗生長特征提取方法,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)器視覺測試裝置搭建

2.1 嫁接苗愈合裝置

嫁接苗的愈合需要無光、高濕的環(huán)境[5],而高濕的環(huán)境會使鏡頭表面形成白霧而阻礙正常圖像的采集。為了防止高濕對圖像采集的影響,本試驗(yàn)將CCD相機(jī)放置在正對愈合裝置的外側(cè)。愈合裝置內(nèi)部搭建了雙層載物旋轉(zhuǎn)臺,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r(t)與測量反饋信號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)器視覺系統(tǒng)

機(jī)器視覺系統(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視覺系統(tǒng),具有卓越的元件檢測、識別、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)研究的對象為黃瓜嫁接苗,選用黃瓜做接穗,南瓜做砧木。種子是中國農(nóng)科院蔬菜花卉研究所研制的粵秀3號青瓜和蜜本3號南瓜。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,在相對的兩側(cè)面切一刀,切面長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)信號采集一幅圖像,然后旋轉(zhuǎn)臺開始旋轉(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),對嫁接苗的接穗子葉生長形態(tài)相似度進(jìn)行比對和分析。

4 結(jié)果與討論

4.1 試驗(yàn)結(jié)果

基于上述試驗(yàn)方法對嫁接苗進(jìn)行連續(xù)7天的觀測,嫁接苗在愈合期的生長變化情況如圖8所示。本試驗(yàn)利用Cognex In-Sight Explorer 視覺系統(tǒng)提取嫁接苗接穗子葉特征,訓(xùn)練模板并比對接穗子葉的相似度,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)器視覺判別嫁接苗相似度時(shí)會有波動(dòng)。這說明,愈合裝置內(nèi)部的濕度變化會對相似度的判斷有影響。

5 結(jié)論

1)利用Cognex In-Sight Explorer視覺系統(tǒng)持續(xù)性地監(jiān)測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。