浙江农业学报 ›› 2023, Vol. 35 ›› Issue (8): 1927-1936.DOI: 10.3969/j.issn.1004-1524.20221222
马启良a(), 杨小明a, 胡水星a, 黄子鸿b, 祁亨年b,c,*(
)
收稿日期:
2022-08-22
出版日期:
2023-08-25
发布日期:
2023-08-29
作者简介:
马启良(1986—),男,安徽六安人,硕士,讲师,主要从事农业遥感与自动化研究。E-mail:mql@zjhu.edu.cn
通讯作者:
*祁亨年,E-mail:02466@zjhu.edu.cn
基金资助:
MA Qilianga(), YANG Xiaominga, HU Shuixinga, HUANG Zihongb, QI Hengnianb,c,*(
)
Received:
2022-08-22
Online:
2023-08-25
Published:
2023-08-29
摘要:
种子标准发芽试验中,为获取种子发芽和生长情况,需借助人工定时对种子的发芽率、发芽势、芽长和根长等相关指标进行统计和测量,该测定过程费时费力,且易对发芽的幼苗造成损伤。针对这些问题,该研究基于Mask RCNN(基于区域的卷积神经网络)模型和机器视觉技术设计了一种玉米种子发芽自动检测方法。首先,在玉米种子发芽试验的7 d内,每天采集模型训练和测试所需的图像,并用Labelme工具对种子位置进行标注,再利用标注图像训练种子定位模型;其次,根据模型定位出的玉米种子掩膜区域,设定一个监测种子发芽的椭圆区域,自动识别种子发芽状态;最后,利用骨架提取和深度搜索算法实现发芽种子幼苗主骨架线的提取,通过计算种子掩膜的质心坐标位置,实现芽和根长度的分别统计。结果表明,该方法能够有效识别发芽种子,实现发芽试验中玉米种子的发芽率、发芽势、芽长、根长等指标的自动统计,可为种子发芽试验的自动化管理提供技术参考。
中图分类号:
马启良, 杨小明, 胡水星, 黄子鸿, 祁亨年. 基于Mask RCNN和视觉技术的玉米种子发芽自动检测方法[J]. 浙江农业学报, 2023, 35(8): 1927-1936.
MA Qiliang, YANG Xiaoming, HU Shuixing, HUANG Zihong, QI Hengnian. Automatic detection method of corn seed germination based on Mask RCNN and vision technology[J]. Acta Agriculturae Zhejiangensis, 2023, 35(8): 1927-1936.
图3 孔洞填充过程图像 a,二值图像;b,漫水算法处理后孔洞图像;c,合并后图像。
Fig.3 The process images of hole filling a, Binary image; b, Hole image processed by flooding algorithm; c, Merged image.
图4 种子定位与发芽种子图像分割结果 从左到右依次为种子定位、种子芽根二值图像,以及发芽种子芽、根分割图像。
Fig.4 Results of seed positioning and germinated seeds image segmentation From left to right, it is seed positioning, seed bud root binary image, and germinated seed bud and root segmentation image.
图5 半径绝对差值、质心距离与标注掩膜外接圆半径比值的结果统计
Fig.5 Result statistics of the ratio of the absolute difference of radius and the centroid distance to the circumscribed circle radius of the marked mask
图6 种子发芽状态自动识别结果 红色椭圆轮廓表示种子未发芽,绿色椭圆轮廓表示种子已发芽。
Fig.6 Automatic identification results of seed germination status The red elliptical contour indicates that the seed has not germinated, and the green elliptical contour indicates that the seed has germinated.
方法 Method | 第2天Day 2 | 第3天Day 3 | 第4天Day 4 | 第5天Day 5 | 第6天Day 6 | 第7天Day 7 | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
数量 Number | 占比 Ratio/% | 数量 Number | 占比 Ratio/% | 数量 Number | 占比 Ratio/% | 数量 Number | 占比 Ratio/% | 数量 Number | 占比 Ratio/% | 数量 Number | 占比 Ratio/% | |
人工统计 | 17 | 34 | 48 | 96 | 50 | 100 | 50 | 100 | 50 | 100 | 50 | 100 |
Manual statistics | ||||||||||||
算法统计 | 8 | 16 | 37 | 74 | 47 | 94 | 50 | 100 | 50 | 100 | 50 | 100 |
Algorithm statistics |
表1 人工统计和算法自动统计的发芽种子数量与占比
Table 1 Germinated seed numbers and ratios by manual and algorithm automatic statistics
方法 Method | 第2天Day 2 | 第3天Day 3 | 第4天Day 4 | 第5天Day 5 | 第6天Day 6 | 第7天Day 7 | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
数量 Number | 占比 Ratio/% | 数量 Number | 占比 Ratio/% | 数量 Number | 占比 Ratio/% | 数量 Number | 占比 Ratio/% | 数量 Number | 占比 Ratio/% | 数量 Number | 占比 Ratio/% | |
人工统计 | 17 | 34 | 48 | 96 | 50 | 100 | 50 | 100 | 50 | 100 | 50 | 100 |
Manual statistics | ||||||||||||
算法统计 | 8 | 16 | 37 | 74 | 47 | 94 | 50 | 100 | 50 | 100 | 50 | 100 |
Algorithm statistics |
编号 Number | 最大绝对误差 Maximum absolute error/mm | 最小绝对误差 Minimum absolute error/mm | ||
---|---|---|---|---|
芽Bud | 根Root | 芽Bud | 根Root | |
1~5 | 1.30 | 4.42 | 0.26 | 2.6 |
6~10 | 1.56 | 4.55 | 0.52 | 1.30 |
10~15 | 1.05 | 4.29 | 0.28 | 1.97 |
16~20 | 1.38 | 4.17 | 0.16 | 2.05 |
表2 玉米幼苗芽长、根长误差分析
Table 2 Error analysis of bud length and root length of corn seedling
编号 Number | 最大绝对误差 Maximum absolute error/mm | 最小绝对误差 Minimum absolute error/mm | ||
---|---|---|---|---|
芽Bud | 根Root | 芽Bud | 根Root | |
1~5 | 1.30 | 4.42 | 0.26 | 2.6 |
6~10 | 1.56 | 4.55 | 0.52 | 1.30 |
10~15 | 1.05 | 4.29 | 0.28 | 1.97 |
16~20 | 1.38 | 4.17 | 0.16 | 2.05 |
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