一种蚕茧性别自动判别装置及方法

摘要

本发明一种蚕茧性别自动判别装置及方法，传送带左上方是进料装置和重量检测装置，传送带的上方和下方设置X射线检测装置，传送带的右侧是分选装置，进料装置包括一个进料板和多个平行间隔布置在进料板上的进料挡板；计算机控制X射线探测器获得蚕蛹X射线原始图像，将蚕蛹图像的面积、周长、长轴、短轴、平均亮度5个蚕蛹图像特征和蚕茧重量这6个特征参数作为蚕茧性别特征参数，根据预先建立的人工判别模型用K-均值聚类方法建立蚕茧性别特征参数与蚕茧性别的判别模型，将模型导入到蚕茧性别判别软件对蚕茧的性别进行判别；装置结构简单，在不破坏蚕茧情况下，在线自动判别蚕茧雌雄，判别速度快，判别结果准确。

说明书

技术领域

本发明涉及一种蚕茧性别自动判别方法，特指一种融合重量检测技术、X 射线成像技术和数字图像处理技术的蚕茧性别自动判别方法及其装置，用于蚕茧性别的计算机自动判别和分选。

背景技术

蚕茧有雌雄之分，同一蚕品种，雄蚕丝与雌蚕丝相比，前者具有茧丝纤度细，净度优，抱合力好，生丝等级高，织物弹性好，织物绸面平挺、滑糯、手感厚实等优点，是缫制5A、6A级高品位生丝的理想原料。现行缫丝技术大多采用雌雄蚕茧混合的方式，只能缫制雌雄复合丝，很难批量生产5A、6A级高品位生丝。对雌、雄蚕茧分别利用，能实现在基本不增加生产投入的情况下提高产品附加值，提高我国蚕丝质量。

目前，获得雄蚕茧的方法主要有两类：雄蚕培育法，无损检测法。雄蚕培育法通过改变蚕的生存条件或控制蚕的生理机能来得到雄蚕茧，该方法虽可提供雄蚕茧，但均存在一定缺点，如性别限性技术须将雌、雄蚕分开上簇，蚕农劳动强度大。无损检测法主要有近红外光谱技术、计算机视觉技术等。近红外光谱法识别雌、雄蚕茧需对蚕茧预处理，且近红外光谱检测精度与环境温度、湿度、检测器与样本的距离有密切关系，这些环境条件在实际应用时难以得到保障。基于核磁共振成像(MRI)技术可成功无损区分出蚕茧雌雄，但实验设备昂贵，难以实现在线检测。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种融合重量检测技术、X射线成像技术和数字图像处理技术的蚕茧性别自动判别装置及方法，可在不破坏蚕茧的情况下自动、快速判别蚕茧性别，并进行蚕茧雌、雄分选。

本发明蚕茧性别自动判别装置采用的技术方案是：支架上表面平铺传送带，传送带和皮带同轴且皮带连接步进电机，传送带的左上方是进料装置和重量检测装置，进料装置出口和传送带之间是进料托板；传送带的上方和下方设置X射线检测装置，X射线检测装置由X射线发生器、X射线探测器和X射线控制器组成，传送带的上方是X射线发生器、下方是X射线探测器和X射线控制器且X射线探测器位于X射线发生器的正下方，X射线控制器电连接X射线发生器，X射线探测器通过控制线连接计算机；传送带的右侧是分选装置，分选装置具有一个挡板控制器，挡板控制器通过控制线连接计算机；分选装置的正下方是收集器；计算机通过控制线分别连接进料装置、重量检测装置的控制部件；进料装置包括一个进料板和多个平行间隔布置在进料板上的进料挡板；重量检测装置的前侧设置吹起装置，吹气装置通过控制线连接计算机。

本发明蚕茧性别自动判别方法具有如下步骤：

A、计算机控制进料挡板旋转，使自动进料装置将蚕茧自动分为多路，每一路蚕茧均逐个传输给重量检测装置；

B、计算机控制重量检测装置实现蚕茧的重量检测，检测到的重量数据传送至计算机，同时，计算机控制吹气装置将蚕茧吹至传送带，多路蚕茧并为一路后逐个传送至X射线检测装置；

C、计算机控制X射线探测器获得蚕蛹X射线原始图像，对图像进行预处理，提取蚕蛹图像的面积、周长、长轴、短轴、平均亮度5个特征作为蚕蛹图像特征；

D、将5个蚕蛹图像特征和蚕茧重量这6个特征参数作为蚕茧性别特征参数，根据预先建立的人工判别模型，用K-均值聚类方法建立蚕茧性别特征参数与蚕茧性别的判别模型，将模型导入到蚕茧性别判别软件对蚕茧的性别进行判别；

E、计算机根据蚕茧的性别信息，操控挡板控制器进行蚕茧的分选，使蚕茧落在收集器的两种不同容器中。

本发明的有益效果是：

1、本发明装置结构简单、价格低廉，在不破坏蚕茧情况下，在线自动判别蚕茧雌雄。

2、对蚕茧、试验环境均没有特殊要求，对蚕茧性别判别的速度快，操作简单。

3、采用融合蚕茧重量、蚕茧图像等特征信息，可使蚕茧性别判别结果更加准确、检验结果客观。

附图说明

图1为本发明蚕茧性别自动判别装置结构示意图；

图2为图1中进料装置1的布置图；

图3为图1中蚕茧3进料后的传送布置图；

图4为图1的控制原理图；

图5为本发明蚕茧性别自动判别方法的流程图；

图6为蚕茧X射线图像，图6a是雌蚕蛹X射线图像，图6b是雄蚕蛹X射线图像；

图7是蚕茧图像预处理流程图；

图8为蚕茧图像预处理各步骤的显示图像，图8a是对比度增强图像，图8b是去除噪声图像，图8c是图像分割图像，图8d是形态学处理图像；

图9为蚕蛹重量、面积、长轴三特征分类示意图；

图中，1-进料装置；2-进料板；3-蚕茧；4-吹起装置；5-托盘；6-重量检测装置；7-X射线发生器；8-X射线检测装置；9-计算机；10-显示器；11-挡板控制器；12-分选装置；13-收集器；14-皮带；15-步进电机；16-X射线探测器；17-X射线控制器；18-支架；19-传送带；20-进料挡板；21-进料托板。

具体实施方式

参见图1，本发明在支架18上表面平铺传送带18，传送带18和皮带14同轴安装，皮带14连接位于传送带18下方的步进电机15输出轴上，由步进电机15带动皮带14旋转的同时带动传送带18从左至右传送。在传送带18的左上方是进料装置1和重量检测装置6，在进料装置1的出口和传送带18之间是进料托板21，进料托板21上放置托盘5。在传送带18的上方和下方设置X射线检测装置8，在传送带18的右侧是分选装置12，分选装置12具有一个挡板控制器11，挡板控制器11通过控制线连接计算机9。分选装置12的正下方是收集器13。X射线检测装置8由X射线发生器7、X射线探测器16和X射线控制器17组成，其中，在传送带18的上方是X射线发生器7，在传送带18的下方是X射线探测器16和X射线控制器17，X射线探测器16位于X射线发生器7的正下方，X射线控制器17电连接X射线发生器7，X射线探测器16通过控制线连接计算机9，计算机9外接显示器10。为了防止X射线检测装置8的辐射，应在X射线检测装置8外部安装射线防护装置。

参见图1和2，进料装置1包括一个进料板2和多个平行间隔布置在进料板2上的进料挡板20，蚕茧3在进料板2上，由多个平行间隔布置的进料挡板20控制其多路、逐个传输。

参见图1和3，在重量检测装置6的前侧设置吹起装置4，吹气装置4通过控制线连接计算机9。蚕茧3从进料装置1的出口下落在进料托板21上的托盘5中，经重量检测装置6的重量检测后，由吹起装置4将蚕茧3吹至传送带18上。吹起装置4和托盘5的位置和数量与进料挡板20相对应。

参见图1和4，计算机9通过控制线分别连接进料装置1、重量检测装置6、X射线检测装置8和分选装置12的控制部件。进料装置1、重量检测装置6、X射线检测装置8、分选装置12和收集器13的控制器依次电连接。进料装置1完成蚕茧3的多路、逐个传输，并通过控制调速电机实现其与其它部件的速度匹配。重量检测装置6用于获得蚕茧3的重量，并将数据信息传送至计算机9，同时将多路蚕茧3合并为单路后，送入X射线检测装置8。X射线检测装置8用于获得蚕茧3的X射线透射图像，所用的X射线发生器7是指射线管电压、管电流均无级可调的X射线发生器，其产生的X射线作为X射线检测装置8的光源，管电压在30－80kV之间，管电流在0.3－1.0mA之间，便于采集最佳图像。X射线探测器16分辨率达0.4mm。分选装置12用于实现雌、雄蚕茧3的分选。计算机9用于数据采集、图像处理、数据分析和控制分选装置12。

参见图5，对蚕茧3检测时，由计算机9控制进料挡板2旋转，使自动进料装置1将蚕茧3自动分为多路，每一路蚕茧3均逐个传输给重量检测装置6。蚕茧3到达托盘5后，计算机9控制重量检测装置6实现蚕茧3的重量检测，所检测的蚕茧重量是指蚕茧鲜重，即包含蚕茧、蚕蛹在内的全部重量。重量检测装置6将检测到的重量数据传送至计算机9，同时，计算机9控制吹气装置4将蚕茧3吹至传送带19，此时，多路蚕茧3并为一路，逐个传送至X射线检测装置8。通过X射线控制器17调节X射线发生器7的管电压、管电流，通过步进电机15调节传送带19的运行速度，实现其与其它部件的速度匹配，获得X射线的最佳成像参数。传送带19将蚕茧3传送到X射线检测装置8的位置时，由计算机9控制X射线探测器16获得如图5所示的蚕蛹X射线原始图像，X射线探测器16将图像传回计算机9中，同时图像在显示器10上显示。然后，通过计算机9对图5所示的蚕蛹X射线图像进行预处理，处理流程如图7所示，使图像的对比度增强、去除噪声后图像进行分割，然后进行形态学处理，提取图像的特征；预处理各步骤的结果如图8所示，对比度增强是指采用线性变换增大蚕蛹图像的灰度差，使图像更为清晰，便于观察。去除噪声是指采用高斯滤波法滤除蚕茧及其背景杂质以及成像过程中的噪声干扰。图像分割是指采用固定阈值分割蚕蛹图像。形态学处理是指采用形态学开运算平滑蚕蛹轮廓，去除毛刺。图像特征是指蚕蛹X射线透射图像中蚕蛹图像的面积、周长、长轴、短轴、平均亮度等5个蚕茧性别特征参数。

由于蚕茧3的性别差异除生理学特征外，主要和蚕茧3的形状特征有关，考虑到蚕茧、蚕蛹近似椭球体，本发明提取蚕蛹图像的面积、周长、长轴、短轴、平均亮度5个特征作为蚕蛹图像特征。面积是指蚕蛹目标区域包含的像素数，周长是指蚕蛹目标区域轮廓线展开长度，长轴是指与蚕蛹目标区域有着相同标准二阶中心矩的椭圆的长轴长度，短轴是指与蚕蛹目标区域有着相同标准二阶中心矩的椭圆的短轴长度，平均亮度是指蚕蛹原始图像与目标区域重叠部分的平均灰度值，蚕茧性别特征参数是指由面积、周长、长轴、短轴、平均亮度以及蚕茧重量等6个特征参数构成的特征向量                                                。蚕蛹重量、面积、长轴关系图如图9所示。

参见图5，对提取的蚕蛹的5个图像特征，结合蚕茧3的重量信息，构建蚕茧3的性别特征向量，然后根据预先建立的人工判别模型用K-均值聚类方法建立蚕茧性别特征参数与蚕茧性别的判别模型，该判别模型对于蚕茧性别特征参数与蚕茧性别之间具有高度相关性，最后把模型导入到蚕茧性别判别软件对蚕茧3的性别进行判别。人工判别模型是蚕茧性别特征参数与蚕茧性别的判别模型，人工判别模型建立的一般方法是：首先选择若干（一般大于500个）某品种蚕茧3，采集全部蚕茧3的重量数据、X射线图像数据，获得蚕茧3的性别特征参数；然后削茧取蛹，人工判别出蚕茧3的性别。K-均值聚类是简单的非监督学习算法，本发明采用欧氏距离作为蚕茧相似性评价指标，即认为两个蚕茧对象的距离越近，其相似性就越大，判别方法具有自适应性。蚕茧3性别判别后，计算机9根据蚕茧3的性别信息，操控分选装置12的挡板控制器11进行蚕茧3的分选，实现蚕茧雌、雄分选，挡板控制器11通过调节挡板的位置控制分选装置12，使蚕茧3落在收集器13的两种不同容器中。

本发明对不同品种蚕茧的性别判别具有通用性，但由于不同品种的蚕茧形体有一定差异，因此本发明只列举某一品种蚕茧的实施实例，其他蚕茧的检测装置和方法与本发明雷同。