马齿形玉米种子尖端激光定向与胚面识别装置研

0 引 言

玉米定向播种可以使玉米植株在生长过程中叶子展开方向一致，改善作物在田间的光照和通风情况，能够有效地提高玉米单产，并提高玉米机械化收获水平 [1-6]。对于玉米机械化定向播种，国外相关研究较少，国内现有的玉米机械化定向播种方法主要是利用相关机具铺放玉米定向种子带[7-8]或插播定向玉米种子子弹[9-10]，但需要事先制作定向玉米种子带或定向玉米种子弹夹，制作定向玉米种子带或定向玉米种子弹夹都属于对玉米种子进行自动化定向包装，自动化定向包装在室内完成即可。对于玉米种子的自动化定向包装，其关键前提是对玉米种子进行尖端定向和胚面识别。

目前，针对玉米种子定向播种技术的研究都是以马齿型玉米种子为基础的。关于尖端定向，本研究团队在文献[11-13]中提出了多种简易可行的尖端定向方法并设计了相关的定向装置，能够对马齿型玉米种子的尖端朝向进行定向，使大部分种子变为尖端朝前的状态，并以平躺或侧立的姿态输出，但其尖端定向成功率最高只能达到92%，即这些装置对玉米种子的尖端定向是不完全的，仍存在少数（约10%）的玉米种子尖端定向失败（保持大头朝前）。关于胚面识别，现有的研究主要是基于机器视觉技术或高光谱成像技术[14-22]，例如张俊雄等[14]采用一种基于B通道平均像素值的胚部特征提取方法，提取了具有Navajo标记的玉米种子胚部图像，并在RGB颜色空间内提取了样本的Navajo标记图像，从而得到一套玉米单倍体种子快速识别 RGB 组合算法，识别正确率达到94%以上；王侨等[15-18]通过对马齿型玉米种子图像的每个像素进行G-B、大津法二值化、二值图像差分等处理后获得种粒白色胚区域和长轴线，然后通过计算长轴上白色胚像素占比，最终实现对玉米种粒正反面的判断，识别正确率达到98%；Huang Wenqian等[19]搭建了一套高光谱成像系统用于获取波段范围为500～900 nm的高光谱反射图像，研究发现采用可见光区域的3个有效波长510、555和575 nm获得的主成分图像对玉米种子的胚具有较好的识别效果，识别率可达97%。但基于机器视觉技术或高光谱成像技术的胚面识别方法对作业环境要求很高，例如图像采集时需要特定的黑色封闭空间，另外机器视觉和高光谱成像平台成本较高，实用性较差。

结合玉米种子自动化定向包装的实际需求，对玉米种子进行尖端定向时，要求尖端定向成功率达到100%（即全部实现尖端定向），同时要求胚面识别准确率达到较高水准，另外结合农业生产和推广的实际需求，用于实现玉米种子尖端定向和胚面识别的方法与装置应对作业环境要求较低，且生产成本较低。综上可知，现有的尖端定向方法和胚面识别方法难以满足实际需求。

本文以现有尖端定向装置[11]输出的尖端定向不完全、呈平躺姿态的马齿型玉米种子为对象，基于激光开关和测距原理提出一种尖端定向与胚面识别方法：依据马齿形玉米种子自身的外形特征，利用激光开关传感器、激光测距传感器等部件，先将少数大头朝前的玉米种子全部剔除，完成尖端定向，然后对尖端朝前的玉米种子进行胚面识别，最后输出。设计并搭建试验装置对该方法进行性能验证试验，以期为后续玉米种子的自动化定向包装提供参考。

1 玉米种子尖端定向与胚面识别原理

本研究提出的尖端定向与胚面识别方法所依据的马齿型玉米种子外形特征有2个：轮廓特征和表面特征。马齿型玉米种子的外形如图1所示，由种子尖端向大头方向沿两侧作出非封闭的轮廓线，轮廓特征表现为：轮廓线类似“V”形，尖端窄大头宽；表面特征表现为：玉米种子的胚面和胚面反面（下文简称反面）差别较大，胚面上的胚部向内凹陷一定深度形成胚沟，胚沟从尖端开始向大头延伸，形状近似椭圆，其长轴线基本与胚面对称轴重合，而反面较为平整。选200颗形状规则的马齿型玉米种子，利用游标卡（精度为0.1 mm）对种子外形尺寸和胚沟尺寸进行测量，结果如下：种子的长度L、宽度B范围分别为[12.4,14.6] mm和[7.9,9.1] mm，胚沟的长度l、宽度b范围分别为[9.6,10.8] mm和[4.9,5.4] mm，计算可知胚沟长度占种子长度的比例基本在0.7以上。假设一个平面X与胚面表面相切，参考该平面利用激光测距器（精度为0.01 mm）沿胚沟的长轴线对胚沟深度h进行测量，由于玉米种子尖端附近形状不规则，不能作为测量位置，本研究选取胚沟的长轴线上距尖端[,]l的范围为测量区间，得到胚沟的最大深度范围为[0.69,1.02] mm。

文章来源：《种子科技》 网址: http://www.zzkjzz.cn/qikandaodu/2021/0427/1288.html