一种籽棉杂质定量快速检测系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种籽棉杂质定量快速检测系统及方法，主要包括样品图像采集子系统和图像分析检测子系统，图像采集子系统包括主控制器、检测窗口、操作台、采集仓室、控制信号线、主动光源、CCD相机、数据信号线、升降机构；图像分析检测子系统包括安装在主控制器中的籽棉杂质含量快速分析与检测软件和配置在主控制器中的杂质颗粒、杂质面积百分比与含杂率之间的数学模型；籽棉杂质含量快速分析与检测软件基于HSI色彩空间，得到最终的杂质区域分割图像，根据杂质形态学和纹理特征分别计算棉花植株茎秆、棉铃壳和棉花叶片的颗粒数和面积百分比，根据相应的数学模型定量换算含杂率。

【技术实现步骤摘要】
一种籽棉杂质定量快速检测系统及方法
本专利技术涉及棉花检测
，尤其是一种籽棉杂质定量快速检测系统及方法。
技术介绍
棉花采收时会有较多的杂质混入其中，尤其是在机采棉收获过程中会有大量的植物性杂质(如：棉花植株的茎秆、棉铃壳和棉花叶片等)，其占比通常在10％-15％之间，部分占比甚至高达30％。当前，籽棉杂质含量检测方法主要有人工估验法和试轧加打杂的方法。其中，人工估验法因存在人为主观因素而备受质疑；试轧加打杂的方式较为客观、但过程繁琐，且工作环境受到噪声和粉尘的严重污染。本专利技术提出基于机器视觉和图像处理技术，通过对机采籽棉中的棉花植株茎秆、棉铃和叶片(三者占据杂质总量的90％以上)分类统计，并结合机采棉杂质颗粒数、杂质面积百分比与机采棉含杂率之间的数学模型，直接实现机采棉籽棉含杂率(植物性杂质)的快速检测。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种籽棉杂质定量快速检测系统及方法，基于机器视觉和图像处理技术，通过对机采籽棉中的棉花植株茎秆、棉铃壳和叶片(三者占据杂质总量的90％以上)分类统计，并结合机采棉杂质颗粒数、杂质面积比分比与机采棉含杂率之间的数学模型，直接实现机采棉籽棉含杂率(植物性杂质)的快速检测，进而为优化杂质清理工艺、减少棉纤维损伤，最终实现我国棉花产业的高质量发展提供技术支撑。本专利技术采用的技术方案是：一种籽棉杂质定量快速检测系统，其特征在于：包括样品的图像采集子系统和图像分析检测子系统，所述图像采集子系统包括主控制器、操作台、主动光源、CCD相机，所述主控制器架设在操作台上方，操作台的下方设有封闭区域作为采集仓室，位于采集仓室正上方的操作台中部开设有检测窗口并通过玻璃面板密封，所述主动光源固定于采集仓室内部，CCD相机设置于采集仓室内部并固定于升降机构上；所述主控制器通过控制信号线连接主动光源和CCD相机，CCD相机的信号输出端通过数据信号线连接主控制器，主控制器连接电源，主控制器同时通过控制信号线为主动光源、CCD相机供电；所述图像分析检测子系统包括安装在主控制器中的籽棉杂质含量快速分析与检测软件和配置在主控制器中的杂质颗粒、杂质面积百分比与含杂率之间的数学模型；所述籽棉杂质含量快速分析与检测软件基于HSI色彩空间，先后通过梯度变换、H-minima变换、分水岭变换与分割、根据S阈值和H阈值判别完成颜色相近的相邻区域间的合并，得到最终的杂质区域分割图像，根据杂质形态学和纹理特征分别计算棉花植株茎秆、棉铃壳和棉花叶片的颗粒数和面积百分比，根据相应的数学模型定量换算含杂率。所述的一种籽棉杂质定量快速检测系统，其特征在于：所述升降机构包括有四个高度调节杆、一个底板、四个齿轮，底板的四角分别转动安装有一个齿轮，高度调节杆的内壁上设置有齿条、外壁上设置有刻度线，每个齿轮与其对应的高度调节杆上的齿条啮合，CCD相机安装于底板的上端面上。所述的一种籽棉杂质定量快速检测系统，其特征在于：所述的操作台为双层结构，上层为橡胶板、下层为表面涂黑的金属板。所述的一种籽棉杂质定量快速检测系统，其特征在于：所述操作台的中部开设的检测窗口的橡胶板洞口大于金属板洞口，检测窗口密封采用的玻璃面板密封在金属板上。所述的一种籽棉杂质定量快速检测系统，其特征在于：所述的主动光源的器材选用可见波段LED灯或卤素灯，照射角度与水平面呈40-50°夹角。所述的一种籽棉杂质定量快速检测系统，其特征在于：所述的主控制器采用自带Windows操作系统的触控一体式智能设备。一种籽棉杂质定量快速检测方法，其特征在于包括以下步骤：(1)图像采集将1kg的籽棉样品覆盖在整个检测窗口上，确保检测窗口被完全覆盖、且样品分布较为均匀，点击主控制器界面的“图像采集”按钮实施图片采集，为保证分析结果的准确性，对样品进行适当调整后再次采集图像，如是连续采集三副图像；(2)图像分析图像采集完成后，点击主控制器界面的“分析结果”按钮实施含杂率分析，含杂率分析过程由籽棉杂质含量快速分析与检测软件和杂质颗粒、杂质面积百分比与含杂率之间的数学模型自动完成，主要包括以下步骤：1)杂质定位对原始样本图像Img1,Img2,Img3进行中值滤波，得到彩色梯度图像对图像进行扩展极小值变换H-minima运算，限制局部极小值点的数目，得到梯度标记图像具体公式如下：式中：为滤波后的彩色梯度图像，为经过标记的梯度图像，Hmin表示形态学H-minima变换，h表示深度阈值；对图像进行形态学强制最小运算得到修正梯度图像使得图像的局部极小区域仅出现在被标记位置，具体公式如下：式中：为经过标记的梯度图像，为修正梯度图像，IMmin表示形态学极小值标定操作；利用分水岭算法预处理后的图像在空间位置上相近且灰度值相近的像素点连接起来构成一个封闭的轮廓，得到初始分割图像具体公式如下：式中：为预处理后的修正梯度图像，为分水岭变换分割后的图像，WST表示分水岭分割操作算子；在初始分割图像的基础上进行两次区域合并操作，得到杂质区域分割图像；2)杂质定量分析根据杂质的形态学特征、纹理特征将识别的杂质归类到棉花植株茎秆、棉铃壳和棉花叶片3个类别中，并分别计算每个类别的杂质颗粒数与杂质面积百分比；样本杂质含量是指样本杂质重量占样本重量的百分比，由三种类别杂质颗粒数和杂质面积百分比与含杂率率之间的线性关系Yi＝Ki+Ai*Ni+Bi*Ri计算得出，其中Ki为数学模型的截距，Ai和Bi分别对应杂质颗粒数Ni和杂质面积百分比Ri的系数。本专利技术的有益效果是：本专利技术利用现代信息技术，基于植物性杂质与棉花纤维在颜色和形态特征上的差异，通过相关图像处理算法精确定位和分类识别棉花植株茎秆、棉铃壳和棉花叶片并计算它们的颗粒数和面积占比，再根据杂质颗粒数与杂质面积百分比之间的数学模型实现籽棉含杂率(植物性杂质)快速测定。与人工估验法相比较，克服了检测结果受到人为或主观因素干扰的问题；与试轧加打杂的方法相比较，解决了噪声和粉尘污染的问题。本专利技术不但能够维护贸易公平性、尤其是能够有效保护棉农利益，更为重要的是还能够调节清杂设备参数提供依据，进而达到减少棉纤维损伤、最大程度保持棉花原有品质，实现我国棉花产业高质量发展的目标。附图说明图1为一种籽棉杂质定量快速检测系统结构示意图。图2为一种籽棉杂质定量快速检测系统操作台结构示意图。图3为一种籽棉杂质定量快速检测系统CCD相机安置底板示意图。图4为一种籽棉杂质定量快速检测系统CCD相机安置底板高度调节杆示意图。图中标号：主控制器1、检测窗口2、操作台3、采集仓室4、控制信号线5、主动光源6、CCD相机7、数据信号线8、高度调节杆9、齿轮10、玻璃面板11、底板12。具体实施方式下面结合附图和实施例对本系统详细说明：如图1-4所示，一种籽棉杂质定量快速检测系统，包括样品的图像采集子系统和图像分析检测子系统，图像采集子系统包括主控制器1、操作台3、主动光源6、分辨率为500万像素的CCD相机7，主控制器1架设在操作台3上方，操作台3的下方设有封闭区域作为采集仓室4，位于采集仓室4正上方的操作台3中部开设有检测窗口2并通过玻璃面板11密封，主动光源6固定于采集仓室4内部，CCD相机7设置于采集仓室4内部并固定于升降机构上；主控制器1通过控制信号线5连接主动光源6和CCD相机7，主控本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种籽棉杂质定量快速检测系统，其特征在于：包括样品的图像采集子系统和图像分析检测子系统，所述图像采集子系统包括主控制器、操作台、主动光源、CCD相机，所述主控制器架设在操作台上方，操作台的下方设有封闭区域作为采集仓室，位于采集仓室正上方的操作台中部开设有检测窗口并通过玻璃面板密封，所述主动光源固定于采集仓室内部，CCD相机设置于采集仓室内部并固定于升降机构上；所述主控制器通过控制信号线连接主动光源和CCD相机，CCD相机的信号输出端通过数据信号线连接主控制器，主控制器连接电源，主控制器同时通过控制信号线为主动光源、CCD相机供电；所述图像分析检测子系统包括安装在主控制器中的籽棉杂质含量快速分析与检测软件和配置在主控制器中的杂质颗粒、杂质面积百分比与含杂率之间的数学模型；所述籽棉杂质含量快速分析与检测软件基于HSI色彩空间，先后通过梯度变换、H‑minima变换、分水岭变换与分割、根据S阈值和H阈值判别完成颜色相近的相邻区域间的合并，得到最终的杂质区域分割图像，根据杂质形态学和纹理特征分别计算棉花植株茎秆、棉铃壳和棉花叶片的颗粒数和面积百分比，根据相应的数学模型定量换算含杂率。

【技术特征摘要】
1.一种籽棉杂质定量快速检测系统，其特征在于：包括样品的图像采集子系统和图像分析检测子系统，所述图像采集子系统包括主控制器、操作台、主动光源、CCD相机，所述主控制器架设在操作台上方，操作台的下方设有封闭区域作为采集仓室，位于采集仓室正上方的操作台中部开设有检测窗口并通过玻璃面板密封，所述主动光源固定于采集仓室内部，CCD相机设置于采集仓室内部并固定于升降机构上；所述主控制器通过控制信号线连接主动光源和CCD相机，CCD相机的信号输出端通过数据信号线连接主控制器，主控制器连接电源，主控制器同时通过控制信号线为主动光源、CCD相机供电；所述图像分析检测子系统包括安装在主控制器中的籽棉杂质含量快速分析与检测软件和配置在主控制器中的杂质颗粒、杂质面积百分比与含杂率之间的数学模型；所述籽棉杂质含量快速分析与检测软件基于HSI色彩空间，先后通过梯度变换、H-minima变换、分水岭变换与分割、根据S阈值和H阈值判别完成颜色相近的相邻区域间的合并，得到最终的杂质区域分割图像，根据杂质形态学和纹理特征分别计算棉花植株茎秆、棉铃壳和棉花叶片的颗粒数和面积百分比，根据相应的数学模型定量换算含杂率。2.根据权利要求1所述的一种籽棉杂质定量快速检测系统，其特征在于：所述升降机构包括有四个高度调节杆、一个底板、四个齿轮，底板的四角分别转动安装有一个齿轮，高度调节杆的内壁上设置有齿条、外壁上设置有刻度线，每个齿轮与其对应的高度调节杆上的齿条啮合，CCD相机安装于底板的上端面上。3.根据权利要求1所述的一种籽棉杂质定量快速检测系统，其特征在于：所述的操作台为双层结构，上层为橡胶板、下层为表面涂黑的金属板。4.根据权利要求2所述的一种籽棉杂质定量快速检测系统，其特征在于：所述操作台的中部开设的检测窗口的橡胶板洞口大于金属板洞口，检测窗口密封采用的玻璃面板密封在金属板上。5.根据权利要求1所述的一种籽棉杂质定量快速检测系统，其特征在于：所述的主动光源的器材选用可见波段LED灯或卤素灯，照射角度与水平面呈40-50°夹角。6.根据权利要求1所述的一种籽...

【专利技术属性】
技术研发人员：周万怀，李浩，梁后军，徐守东，刘从九，张雪东，
申请(专利权)人：安徽财经大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34