автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:ЭЛЕКТРОННООПТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ОЦЕНКИ МОРФОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ КЛУБНЕЙ КАРТОФЕЛЯ ПРИ СОРТОСОПРОВОЖДЕНИИ



РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ НАУК

ГОСУДАРСТВЕННОЕ НАУЧНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРИФИКАЦИИ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА (ГНУ ВИЭСХ)

ЭЛЕКТРОННООПТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ОЦЕНКИ МОРФОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ КЛУБНЕЙ КАРТОФЕЛЯ ПРИ СОРТОСОПРОВОЖДЕНИИ

Специальность 05.20.02 - электротехнологии и электрооборудование

в сельском хозяйстве

На правах рукописи

ПОКИДОВ Олег Викторович

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2005

Работа выполнена в Государственном научном учреждении Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ)

Научный руко4одитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор технических наук Бяшнлов Алексей Михайлович

доктор технических наук, профессор Судннк Юрий Александрович кандидат технических наук, ст. н. с. Коршунов Борис Петрович

Всероссийский научно - исследовательский институт картофельного хозяйства (ВНИИКХ)

Защита диссертации состоится " ЗО" ССЫ^Л-Ъ^Я. 2005г. в час на заседании диссертационного совета Д 006.037.01 в Государственном научном учреждении Всероссийский научно-исследо&ательский институт электрификации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ) по адресу: 109456, Москва, 1-й Вешняков-ский проезд, д. 2.

Телефон: (095) 171-19-20 Телефакс: (095) 170-51-01 E-mail: viesb@dol.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНУ ВИЭСХ, Автореферат разослан " $ " &Л LCj 0 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук старший научный сотрудник

А.И.Некрясов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Аяпуальность темы. В Российской Федерации картофель является одним га пивных продуктов для потребления. Вместе с тем, наша страна остаётся на одном из поотмлих мест гюуромойносги данной культуры (9-10 Dta) при средней урожайности в развитых капиталистических странах 34,6 тЛв.

Для повышения урожайности и снижения потерь картофеля необходимо обеспечение картофелевсщческих хозяйств высокопродуктивным и сертифицированным семенным материалом. При многолетнем выращивании семян картофеля в условиях производства они быстро утрачивают свою продуктивность, в них накалдавгваки инфекции многих заболеваний и сорт практически перестает соответствовать требованиям UPOV (международный союз по охране новых сортов) на отличимость, однородность и стабильность (ООО). Проно-ходит вырождение copra семенных клубней, что приводит к потере 30-40% урожая. Для преюгвршггния вырождения «рта семенного картофеля необходимо осуществлять ежегодное определение морфологических параметров ООС семенных клубней во время после-)<5орочшгокл>бневого анализа.

В настоящее врап не существует устройства, позволяющего производить ошнку степени выраженности морфологических параметров клубней семенного картофеля та ООС сопвсно методике UPOV. Применяемый визуальный способ существенно зависит от квалификации :зкакрга, позволяет прошюдитъ только гр)%ю оценку мфс]юлогнческих napa-метров клубней и не имеет дальнейшей перспективы развития и совершенствования.

В результате исследований проводимых отечественными учёными Бород иным И.Ф, Башитювым АЛ1, Герлеевым АС, Старовойтовым ВД, Пшеченковым КА, Анаержзно-вым AJI, Алихановым Д М, Вороновым НВ, а также зарубежными уч5ными Aíchanaiis V, Heiremann РК, Paulsen MR, Pearson Т.С, Tao Y, были разра&тны отико электронные устройства отделения примесей и загнивших клубней, сортировки корнеклубнеплодов и пледов по ивету, качеству, размерам, механическим повреждениям. Оанако задачи pcrjjxi-бстки информационно-советующих устройств дня процессов испытания сортов и производства семенного картофеля, осуществляющих ежегодное сопровождение морфологических параметров ООС семенных клубней ю время после>бсрочного клубневого анализа и позволяющее предотвратить вырождение семенного кргофеля, до настоящих) времени не решались.

В сваи с этим, разработка инфориацисяаккиветующеп) апектрокноотичестогоусг-ройства предназначенного дня предотвращения вырождения семенисто маггертла путём более точной оценки морфологически* параметров семенных клубней является актуальной задачей.

Цель работы: разработка электронноогггичгского устройства оценки степени выра-

ЦНБ МСХА

гуры

женности морфологических параметре® клубней картофеля (форма, цвет кожуры, цвет мякоти, цвет основания глазка), обеспечивающею обнаружение отклонений параметров сорта в процессе его испытания и при производстве семенного картофеля.

Задачи исследования:

1. Провести анализ способов и устройств контроля качества агропродукши и определить возможность применения их д ля оценки морфологических параметров клубней при сортоиспытании и соргсраэмножении семенного картофеля.

2. Разработал, функциональную схему информационного сопровождения данными о морфологических параметрах клубней при сортоиспытании и многолетнем производстве обменного картофеля.

3. Разработать структуру и авгомашзированные алгоритмы электронноогттического процесса оценки морфологических параметров клубней,

4. Исследовать характеристики цветовых и геометрических параметров клубней картофеля, составить алфавит их классификации.

5. Разработать аппаратную часть и изготовить экспериментальный образец электронно-стического устройства оценки морфологических паромефов клуней картофеля.

6. Провести производственные испытания и определить экономическую эффективность этеетрондаотического устройства щенки мсрфагюшческих параметров клубней при испытании и размножении сортов семенного картофеля,

Методика исследований В работе используются методы: цифровой и аналоговой обработки изображений, теории распознавания образов, теории огпико-электронных приборов, теории вероятностей и математической статистики, теории ппанировашщ эксперимента, теории математической обработки данных и компьютерного моделирования (МАНАВ, 1та^е Ргосезатщ Тоойюх, ЕХСЕЬ и лр-)- В работе использована современная цифровая фо-тшгтаротура и вычислительная техника.

Ночная новизна Разработано алекгронноотпическое устройство оценки морфологических параметров клубней обеспечивающее реализацию электротехнологии информационного согровождения процессов испытания сортов картофеля и производства семенного материала. Разработаны автоматизированные алгоритмы оценки степени выраженности морфологических тираметров клубней (фермы, цвета кожуры, цвета мякоти, цвета оаюоа-ния глазка). Разработан способ эяекфонноошмческий оценки морфологических параметров клубней карпофепя в период послеуборочного клубневого агалин.

Практическая ценность. На основе проведённых исследований разработано и изготовлено электроннооггтическое устройство, позволяющее автоматически оценивать степень выраженности морфологических параметров клубня картофеля в соответствии с международным жрматишо-мегоднческим руководством, по системе ЦРОТ, а тюке изготовлен мобильный (переносной) вариант данного устройства, Для сортоиспытательных станций и

4

семеноводческих хозяйств предложено ашоматкафованное злекгроннооптичесное устрой-сгво, гкпааляюцве эффективно реешь проблему оценки морфологических пфвметрое клубней.

На защипу выносятся:

- функциональная схема информационного сопровождения процеооов осртоиспьпания и производства семенного картофеля с помошыо электрокноогтгического устройства, в период посл^боронной обработан картофеля;

- структура аппаратной части и рабочие параметры этаоронноостгичесмого устройства оценю! сортовых признаков клубней картофеля;

- автоматизированные алгоритмы оценки морфологических параметров клубня (форма, цвет коидтИ цвет мякеггя, цвет основания пшкаХ

-результаты эксг^зиментальньк исследований роботы электроннооптического устройства оценки параметров клубней при информационном сопровоокджии производства семенного материала.

Совокупность сформулированных, научных положений и результаты их практической реализации представляют собой решение актуальной задачи по разработке атеюронно-огпичесюого устройства штомагтческой оценки степени выраженности морфологических параметров клубней кцлофеля для процессов сортоиспытания и соргоразмножения семенного материала.

Реапинщия результатов работы. Мобильный вариант электронноотпического устройства оценки морфологических параметров ООО клубней испъпзн в производственных условиях ГНУ "Елецкая опытная станция по картофелю" Елецкого района Липецкой облает Результаты исследований внедрены на Егорьевской соргоиспьггатеньной станции—филиала ФГУ 'Тооссргкомиссия РФ по испытанию и охране селекционных достижений" Егорьевского района Московской области.

Апробация работы. Основные положения и результшы исследований по теме диссертации доложены и одобрены: на 11-ой Международной научно - практической конференций "Развитие информационного обеспечения и инновационной деятельности" (г. Москва, 2002 г.); на 3-й Международной научно-технической конференции "Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве" (г, Москва, 2003 г.у, на 4-й Международной научно-технической конференции "Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве" (г. Москва, 2004 г.); на 2-е« Всероссийской научней конференции "Проектирование инженерных и научных приложений в среде МАНАВ" (г. Москва, 2004 г.); на Международной научно-технической конференции "Автоматизация сельскохозяйственного прошводства" (г. Углич, 2004г.).

Пубпшащии. По результатам исследований опубликовано 10 печатных работ, в том числе шцучено пошжиггельное решение о выдаче Патента РФ.

3

Структура и объем диссертации Диссертация состоит ю введения, четырёх глав, основных результатов и выводов, атасна ттгерогуры включающего 91 наименование и при-лсокений. Её ссде^аканне изложено на ] 61 странице, включая 16 таблиц и 63 ргеукга.

СОДЕРЖАНИЕ РЛШТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, показана её связь с планом НИР по фундаментальным и прикладным исследованиям, приведены щучные положения, выносимые да зсищпу.

В первой главе рассмотрена схема организаиш сортоиспытания и соргсразмноже-ния картофеля (рис. 1), да которой выделены этапы кмпропя морфологических параметров ООС клубней. На этапе сортоиспытания контроль морфологических параметров клубней необходим для сертификации сорта картофеля, а на этапе размножения семян, подобный кшпрапь осуществляется дня ежегодного сопровождения морфологических параметров ООС сорта с целью своевременного выявления вырождения семенного материала.

Оченк»йорт» ' |"Контроль морфологических"] ' сортосопровожавимв 1~( парэ«*тро» кпубией ¡— I I__»»[¡люфвп* на ООС__\

Рис. I. Схемаорганизациисортоиспытания и сорторозмножения картофеля

Проведйшый аналитический обзор технических способов, истлцуемых в области контроля качества агропродукции, показал, что применение элеетрошюоггтического споооба, с использованием ГВС-сснсорв, является перспективным для решения (роблемы оценки морфологически* параметров юубней при сортоиспытании и ооргоразмножении. Преимуществами предложенного способа являются; высокая информативность, оперативность, дисганционностцудобс1восбработ^хране!шя,ваког

Анализ современных эпемронноотических устройств контроля качества агропро-дукнии, позволил определить структуру процесса оценки морфологических параметров клубня и устаношпь основные функциональные компакты разрабатываемого апектрон-носсггического устройства, в состав которого входят: зона осмотра объекта, блок цифровых видеодатчиков с системой освещения, блок обработки д анных с прикладным программным обеспечением.

Процесс оценки морфоносичсскнх параметров ООО клубной представляется в виде поснсиовзгельности трёх макроонершщй; формирование изображения объема, обнаружение морфолмического параметра обьекга и определите степени выраженности морфоло-шческого параметра обьекга (нахождение класса параметра^ Креме э!«о, и первой пиве сформулированы цель и задачи исследова] шя.

Во япгоиой пиве рассмотрена функциональная схема информационною сопровождения производства семенного каргофеня, представляющая собой биолопгкекий конвейер (рис.2>

Д U, hVt Uv

Рис, 2. Функщкийльная схема информационно сопровождения производства семенного картофеля на многолетнем цикле:

- объём сортового материала, необходимый дня воспроизводства ссмян кирпофаи; Ui-. .U, - объём семян картофеля, полученного в v-ом питаю; ¿{/i...ü. -обь&л семян картофеля отданных на производство продовольственного картофеля; v — время использования сорта картофеля; у<„ - информация соогсветствия морфолопггеских параметров сорт требованиям UPQV; у^ - информация о сортах прошедших испытание и допушршых к исполь-зоганию; сц — объём сертифицированных семян этапы картофеля, закупаемых для полного соргообновления нырождонного оеменного магериала (с<|=о,).

На многолетнем интервале производства семенного каргофедя биодашческнй конвейер необходимо органюовать таким образом, чтобы попок качественного (с точки зрения актовых морфологических параметров) семенного материала необходимого дая последующ« о воспроизводства был непрерывным:

со = [(/г-ДЕ/|]Усн-1 = [№-Д№]УсЫ ~consl, (1)

IIa кавдом «шок протводства происходит обязательная етвика морфологических пфамелров ООС сорта семенного картофеля (евпш y„jL При у01= 1 (сорт улсвяетаоряет требсчиниям UFOV на ООС) часть получешют урожая Со используется дня дагалейшао производства семенного картофеия. При уп,=0 возделываемый сорт не сооюсплвует требованиям UPOV га ООС Ссрт выродился и необходимо осуществлять сорюобпойлеше сеи

7

менного материала (цикл производства начинается заново). Полученный урожай семенного картофеля полностью отдаётся на производство прсщовсушлаенного картофеля.

Продолжительность иакиьэовання сорта семенного картофеля:

v=7¡-W, (2)

гае Т,-период воспроизводства картофеля (0,5— 1 roo);

N-жизненный цикл сорта картофеля.

Кроме производства семян, подобный котроль морфологических параметров необходим при испытании сорта картофеля. Общее катичсспю сортов картофеля допущенных к использованию по результатам сортоиспытания определится как

F-L-Y, (3)

где L- общее количество сортов злиты направленных на испытание;

F—количество сортов допущенных к использованию по результатам испытания (уа^" 1);

Y-количество сортов не допущенных к использованию 0).

Дтя к-го цикла производства семенного картофеля схема информационного сопрово-жаення copia представлена на рис. 3. Оценка морфсоогических параметров сортов картофеля в процессах сортоиспытания и сорторазмножения семенисто картофеля осуществляется в отделе испытаний (блокОИ).

I ■ «

Рис. 3. Схема информационного сопровождения copia семенного картофеля в k-ом цикле воспроизводства:

ОН - отдел испытаний; БР - блок приюпия ранения по результатам оценки морфологических гораметров сорта картофеля; I — журнал учёта объёма выберки кцбней: 1 — сорт, 2— объём выбррш, 3 - номер репродукции клубней. П - журнал учёта результатов проведенной оценки морфологических параметров клубней: 4-сцекка морфологических параметров каждого клубня по системе UPOV, 5,6—количество клубней ю обшей массы не соответствующих н соответствующих требованиям UPOV на ООС соответственно.

В существующем варианте подобная оценка параметров и обработка полученной информации производится чеяопсюмтэкепергом витальным способом. При электроннооггш-

S

ческом способе, оценку морфологических параметров ООС и шслещкмцую обрабопу информации предполагается осуществлять при помощи электрошоогггического устройства.

Основным критерием, определяющим эффективность оценки параметров ООС парим сорта соленного картофеля, является вероятность правильного принятия решения по результатам оценки:

Я»,=Д-А, (4)

где Р,-вероятность правильной оценки параметров сорта картофеля в период вегетации;

Р,-вероятность правильной оценки параметров сорта картофеля при клубневом анализе.

Принимая Р,=1 (допущение о безошибочней оценке параметров сорта картофеля в период вегетации) результирующая вероятность Рас будет определяться вероятностью правильной оценки параметров при клубневом анализе.

При экспертной оценке степени выраженности параметров ООС клубней картофеля решение эксперта основывается на визуальном осмотре выборки клубней и зависит от: профессионализма эксперта, зрительного восприятия экспертом параметров клубня, а также от информационной пропускной способности эксперта, При высоком уровне профессионализма эксперта факторами, определяющими правильное решение, будут являться зрительное восприятие и информационная пропускная способность.

На рис. 4 приведены качественные характеристики спектральной чувствительности глаза человека и ГОС - матрицы в видимом д иапазоне длин волн. Из рис. 4 можно сделать вывод о том, что зрительное восприятие цвета человеком уступает восприяпво цветовой информации ГВС — матрицы, особенно в красной (Л=620-700 нм) и синей (Л <■ 350 - 480 нм) областях ввднмего спектра. Это цзиводиг к потеречаста информации об объекте:

' в ' ' я '

Рис. 4, Качественные характеристики спектральной чувствительности: 1 - таз человека; 2—ПЗС-матрицз; В, Я-синяя и красная области спектра соответственно.

9

С точки зрения информационной пропускной способности, теоретическая вердат-1ЮСП. г^хшилыюй одажи параметров партии картофеля одного сорта при клубневом анализе будет определяться обьбмом получаемой информации:

л =/[/«;«}. (5)

ие ■/(/) - ноток воспринимаемой и фэрмат ши от единицы выборки, бир'с; а - обьСм выборки клубней. Выража тис (5) можно записать а к^втеи мм образом:

А=АмгЛ7К, (6)

Г7К Рви - всраяп юсть воа гриятия едлпн 1Ы икформа]

Г)ш - иерояпкхпъ м! Ю1 окрашой оценки единнлы информации.

] крояп юсть безоп ¡ибочного восприятия единицы ш (формации определится как:

где МО - млкеималы ю дситустимос эт1 кл те потока прю тимземой га ¡форматвш; </»(') - реалы 1ый 1 кжж 1 трш гсмаемой информации. Дчя обеспечения продольной опенки параметров ООС клубней экспертом необходимо выполни 1ие условия:

■МО 5 М>), (8)

где МО - Ю бит/с, максимально до] тусптмос значение потока информации воспринимаемое без потерь четки »еком.

Ц результате рзечйа, реальный попок информш ин, принимаемый экшертом при проведении оценки всех параметров ООС дня одного клубня составил 14 бит/с. Таким образом, тсорлическал всрояп юегь иоа триятия едштцы информации без потерь д ля эксперта соста-шша:

т н

При пропедении а оценок единицы выберки, для парши семенного картофеля сд| 10-го сорта, всроятость многократной оценки единицы информации опредаптгея на оакжь нни формулы I ¡уаеса га:

А') «

Рии-\-е м')а»<>~, (9)

17К огмш -¡кмшшылайобьйм выборки клубцей сорта дгасоответсгяутоикй партии.

Исходя ш того, 'гго доя элекгрмн юотического устройства 01К>1ки параметров значение/к» тустимого ипформащюшюго потока М<) »14 бит/с, то сдагветсгвугоавя ей теоретическая нерояп юсть

Таким обргюм, теоретчесюя вероятность правильной оценки морфологических параметров единицы информац ии при клубневом анализе с помощью алектронноогптмеского устройства выше на 28,6%, что подтверждает эффективность применения электронноотн-ческого устройства для оценки морфологических тонометров клубней.

В соответствии с установленной в 1-оЙ главе последовательностью, оценка параметров ООС клубней электронноогпическим устройством начинается с операции формирования цифрового изображения объекта, которая осуществляет преобразование распределения яркости изображения сцены в двумерный массив - растр, каждый элемент которою представляет собой RGB (R,GJ3 -- яркости соответственно красной, зелёной и синей составляющих цветного юображения) описание щега пикселя.

Цифровое изображение объекта формируется в виде;

g(ntm) = {av\i = \,nj - l7w|i, (10)

где i,j-размер изображения в пикселях, - элемент изображения (пиксель).

Процесс оценки морфологических параметров клубней представляет собой последовательность ряда операций над полученным изображением: изображение объекта — параметр объекта - признаки параметра объекта- класс параметра объекта. При этом, определение морфологического параметра ООС клубня заключается в отнесении его в один из клэс-сов, описывающих множество возможных знамений данного параметра.

На основании проведенных исследований, ра^работада струетура оценш морфологических параметров клубней (рис, 5Х осуществляющая оценку параметров в два этапа На первом этапе осуществляется предварительная обработка изображения объекта и вычисление набора признаков морфологического параметра клубня; на втором этапе происходит сравнение вычисленного набора признаков с признаковыми описаниями классов параметра и последующее определение степени его выраженности.

Изображен»« объекта

ПОИ

ЦычнсленжЬ

набора признаков пярдмуфя

Алфавит классов параметров

{zHw-*«}

Класс параметра объекта

At

1 этап

+

2 этап

н

Рис. S. Двуюталная структура оценки морфологические параметров клубней: ПОИ-предварительная обработка изображения; г(и, т)-входное цифровое изображение объекта; g, (я, w)- изображение, соответствующее параметру объекта; {г ) - вычисленный набор признаков параметра; At = Ti(znizt,.~, zt_t) - имеющийся алфавит клас-

сов параметров; At - найденный класс морфологического параметра.

Дня оценки цветовых параметров клубня была доказана необходимость использования процедуры обучения классификатора методом "обучение с учителем". Во время процедуры обучения осуивсголяется накопление необход имой информации для всех классов цветовых параметров, благодаря чему происходит формирование алфавита классов цветовых параметров клубня. Процесс обучошя завершается при достижении желаемого результата оценки параметра, то есть когда все множества набора признаков, представляющие определённый класс будут отнесены атектродаоогпическим устройством к этому классу.

В третьей главе разработана аппаратная часть электроннооптаческого устройства оценки морфологических параметров клубней, иослеарваиы цветовые характеристики параметров клубней, на основании чего составлен алфавит классов данных параметров клубня, разработаны блок-схемы аторнтмов оценки параметров юубня: формы, цвета кожуры, цвета мякити,шета основания тазга.

№ рта б показана схема зьтектроннскхггического устройства. В состав устройства входят инспекционный стоя с зоной контроля и белым фоном, стандартный источник освещения тала А с раэсенвающей поверхностью, шфровой фотоаппарат Nikon Coolpix 2500 (Япония) ёмкость ГОС-матрицы 2 мегапикселя, персональный компыотф (ПК) Intel Celeron 1МГц. Объе»сг (кл>6ень или срез) поштучно подаётся в зону контроля, освещается источником света, после чего происходит регистрация цифрового изображения в режиме "макро-сьёмка" в файл формата JPEG. Через USB - интерфейс отснятые изображения тюступакя в ПК. Дтя сташстической обработки полноцветных изображений объекта был использован пакет прикладных программ Image Processing Toolbox, вхоаяший в состав системы MATLAB6J.

В результате проагцённых экспериментальных исследований была установлена последовательность оцеики параметре» клубня: форма клубня и цвет кожуры (одно изображение); цвет основания гашка и цвет мямли (2-е и 3-е изображение). Результирующие значения степени выраженности морфологических параметров для од ного кл>бня записывались в память злекгронноогпического устройства и далее вьгводились на экран монитора.

Алгоритм оценки формы. В соответствии с документом UPOV ферма оценивается путём анализа двух характеристик клубня-длины и шнрнны, на основании формулы;

ф = (п)

где 7] , s 3 - длина и ширина клубня соответственно.

Рис, 6. Электронноогтшческое устройство оценки морфологических параметров клубней картофеля:

1-сжтемассвещенш;2-ш»фроюйфотоотпарэг,3-тшрфе^

ром; 5-клубень картофеля; 6 - инспекционный стол; 7-штатив; 8-фотовспышка.

Таким образом, разделяющими границами будут прямые ввда:^ = Ф - 2г. Значения коэффициента Ф для всех классов даншго параметра приведены в табл. 1,

Таблица!

Значения коэффициента формы дня различных классе® параметров.

ф <1Д (1,1:13] 0,3:1,5] (1,5:1,7] <1,72] >2

Класс А, Аз Аз Aj А, А«

Нар»ю,7логазаюбгюк-схемааш^ш>«оценкифс11*ыю1^ш. После операции считывания происходит преобразование полученного RGB - изображения в полутоновое изображение:

1 = ^(R* + Gl + £')> 02)

где R,G$ - яркости соответственно красной, зелёной и синей составляющих ц ветного изображения.

Процесс фильтрации происходит следующим образом: с целью удаления точечного шувда на изображении применяется низкочастотная фильтрация путём свёртки с маской ви-t 1 Г

I I 1

да:

, далее осуществляется высокочастотная фильтрация для повышения резкости

границ перед пороговым разделением. Маска фильтра в этом случае имеет вид:

о .1 ,( s о -1

Рис. 7. Блок - схема алгоритма оценки формы клубня

Далее полутоновое изображение клубня прообразуется в бинарное изображение, в результате этого, осуществляется разделение всех отсчётов шображения на два класса по яркости: объект (клубень) и фон, исходя из условия:

Цвели ф\т) £/с?

£(*"»)=• , (13)

где ^гуп)-исходное полутоновое изображение; пороговое значение яркости.

Пороговое значение яркости выбирается исходя ш анализа гистограммы распределения вероятностей яркостей на изображении. В большинстве случаев для получаемых изображений объекта гистограмма распределения яркости носит ярко выраженный бимодальный характер, и пороговое значение яркости определяется как минимальное значение интенсивности между двумя максимумами. В другом случае, если гио тограмма распределения вероятностей яркостей не имеет ярко выраженный бимодальный характер, то производится аппроксимация гистограммы суммой данных плотностей вероятности:

p{f) m р • pi(f) + (1 - р) . рг(/), (14)

me pi(f)> рг(0~ аналитически заданные функции плотности вероятностей для объекта и фона; р-доля гсюшади июфаяошя занимаемая объектом В результате чего, зги тираметры подлежат оценке, после которой порог выбирается в сюсггеетстдаистчринштсммаксималыюго^

р-/»1(/0-(1-р)-Я*(/0. (15)

Появившиеся после представленного преобразования дефекты на бинарном изображении ("пустоты" внутри объекта, "разрывы" контура кл>бня, мелкие объекты и точечный шум на изображении) устраняются последовательным применением медианной фильтрации, а также с помощью математических операций 'Ьамыкаше" и "отмыкание".

На ргс. 8 покшано обработанное бинарное юображение объекта, по которому вычисляются базовые характеристики клубня — координаты прямоугольника описанного вокруг клубня:

ЛГ|ПГ)= max fnV,

(Я.-*»'

Ni(W)= mm {«};

(».»jiif 1 '

max {mf.

(».«Klf 1 '

N*iW)** min M,

(17)

(18) (19)

где W- область изображения, ахпветсщующая объеету.

На основании базовых характеристик происходит вычисление соответствующих признаков объекта:

-размера по вертикали (длина клубня)

г\ - шах {я}- min {я}, (20)

(я,я)«* 4 ' ' v '

- размера по горизонтали (ширина клубня)

zi = шах {ml- min im}. on

(я,«}«»'* ' (rr,m)iH' 4 ' v '

Далее вычисленный вектор признаков формы {z } « {it,zi} сравнивается с имеющимся алфавитом классов, таким образом, происходит оценка формы юдбня.

Рис. 8. Определение базовых характеристик га бинарном изображении объекта

Оценка цветрЕых параметров югубня начинается с выбора цветового пространства. Координаты цвета в линейных цветовых пространствах не соответствуют человеческому пониманию топологии цвета, и в практическом плане расчёт цвета в подобных пространен вах представляет собой трудвовышлнимую задачу. Исходя щ этого, была доказана необходимость осуществлять оценку цветовых параметров клубня в нелинейной цветовой системе HSV (Н-цветовой тон, S-насыщенностъ, V-яркость), которая получается из цветовой системы RGB путём следующих преобразований:

6R-G-B

H=агссоз г-,, . -------------- ,, ..у ,—. щу

■Д' — ,, . ----- -■■--------------, , - , -

= I — 3 min( R,G,By. (23)

V = R + <? + В . (24)

Цветовые характеристики параметров клубней определялись- на основании анализа Н-изображения, которое характеризует цветовой тон

Был составлен алфаытг классов цветовых параметров клубня. Дтя этого, с помощью статистической выборки эталонных илуСней из 30 илук, представляющей каждый класс цветовых параметре® были построены соответствующие гистограммы распределения значений цветового тона. На основании анализа всех гистограмм была вьщвинута гипотеза о нормальном законе распределения значений цветового тона каждого класса всех цветовых параметров, Вьщвинутая гипотеза была доказана с помощью критерия правдоподобия

X1 Пирсона;

х£ Р • (25)

t-l ~г

гдеР* - статистическая вероятность;

Р;-версшностьсобьпия,сошветствующая нормальному закону распределения; П|=30, объём выборки; к и л/я"» 5 -числоразрядов.

Принимая Р = 0^95 - вероятность попадания величины цветового тона на опред елённый интервал, а тазоке зная закон распределения данной величины, искомый интервал возможных значений цветового тша (х£ определялся путШ решения уравнения:

где т - магемгштческое ожидание значемтй цветового тона;

Ок - срегшеквадрапнческое отклонение здачений цветового тога; ^(х) -функция Лаплас. Таким сказом, были найдены оптические характеристики (значения цветового тога) цветовых параметров клубней и составлен алфавит классов цветовых параметров клубней. На рис. 9 покаванэ блок-схема алгоритма оценки цвета кожуры. После считывания RGB-иэображения хлубия осуществлялось преобразование изображения в цветовую систему HSV. Далее осуществляется разделение полученного изображения на составляющие, с послещющим рассмотрением Нюобреокения клубня.

С помощью последовательности алгебраических операций над полученным Н-изображением клубня была отделена от фона область, соответствуккшя клубню, которая на этапе сегментации разделялась на блоки m*n пикселей, в пределах которых было рассчитано среднее значение цветового тона;

— | » ^ m

S = (27)

п-т 1*1 j. |

где go-область изображения соответствующая блоку,

Цветовой тш кл)6ня определялся путём нахождения среднего значения цветового тона всех блоков, принадлежащих облает клубня:

' TrZ 8> (28)

л I* t

тде К—количество блоков, принадлежащих области клубня.

Алгоритм оценки цвета мякши принципиально ничем не отличается от рассмотренного алгоритма, за исключением дополнительной фильтрации Н-юображения облает среза. Необходимость фильтрации обусловлена появлением на изображении "залипших" пикселей, за счйт наличия влаги во внутренних тканях клубня. В данном слуше применялась низкочастотная фильтрация аналогичная той, которая применялась в алгоритме оценки формы клубня.

На рис. 10 изображена блок-схема алгоритма опенки цвета основания пызка. Операц ии считывания изображения, преобразования цветовых систем и вьщепешк матрицы цветового тока (Н-тображения) аналогичны соответствующим операциям алгоритма определения даега кожуры.

Координаты пикселя, принадлежащего основанию глазка определялись в интерактивном режиме по RGB-нзображению объекта с помощью манипулятора (" мышь"), Это было обусловлено тем, что не удаюсь обеспечить устойчивого распознавания области основания тшзка ва цифровом изображении.

Окрестность пикселей размером 3*3, принадлежащих основанию глазка, формировалась на основании того, что выбранный пиксель являлся центром этой окрестности. Среднее значение цветового тона пикселей окрестности было найдено га выражения {27), приммая г» =m=3. На основании вычисленного значения определялся юта« данного параметра клубня.

Рис. 9. Блок-схема атгорит-ма оценки иретз кожуры.

Рис. 10. Блок-схема алгсрпмаошки цвета ошошнкя глазка

В четвёртой главе приведены результаты производственных испытаний электронно-отпического устройства оценки морфологических параметров ООС клубней и дана оценка её экономической эффективности дня процесса сортоиспытания и при ссргораэмножении семенного картофеля.

Испытания электрюнноотического устройства, внешний вид которого изображён на рис. 11, проводились на Елецкой опытной станции по картофелю, Елецкого района Липецкой области в 2004 году и предусматривали оценку морфологических п^амегроа ООС для пробы объёмом а«и,»»250 клубней (номинальная проба д ля проверки партии стенного тофеля 15 т), составленной из клубней с эталонными классами параметров

Оценка морфологических параметров ООС клубней пробы производ илась двумя способами: визуальным экспертным и разработанным апектршносшическим, отдельно для каждого параметра клубня. Результирующая величию Р, была найдена как произведение вероятностей оценок соответствующих параметров. В табл. 2 приведены результаты оценки морфологических параметров ООС клубней обоими способами.

Определение вероятности оценки морфологического параметра производилось экспериментально исходя из формулы:

А = —'10094, (29)

где а) - количество правильно огщнаятых объектов;

о^-общее коли честно объектов предспшликм иих I юрамстр.

Таблица 2

Верстностъ ст внки морфопмических параметров (XXI робы ю |убисй

№ Пярямстр Ошсоб ««тм

пп Пй^имив ;>«Х1 ршмиоиигктоий

1. Исрсяпюсть опенки горячстра (Р,), %:

фортш И> т

«дзета кожуры 91,2 99,3

цпегаьымлм 88,2 т

Пвегаоогавшиагвгжа »,1 ЗД1

г Гезут.тнрукянвя всраялюси»(Р,) 97

Рис. 11. Внешний видэлектрощюаггического устройства:

1 - Персональный компьютер; 2 - монитор; 3 - цифровой фотоаппарот; 4 - лшашн; 5 - система освещения; б - инспекционный стол с белым |(юном; 7 - киубснь картофеля; 8 - шггсрфейс связи.

Полученные эксиеримс4ггальные значения величины 1', для обоих а ккхЛш иракдаю-ски полностью соответствуют теоретическим зпачагиям соотнелстиуюнцпс нфшгпюстей. Эю подгефждасг высокую эффективность тйккгровшхнпичсского способа но ершиашю с визуальным а юсобом оценки.

При проведении испытаний выборка состояла ш чистых клубней, клубни с частицами земли суй (сствснно снижали вероятность ода жи цвет основания пкпка 66%) и итога кожура 90%) Исходя из этого, оценку морфошничоаак параметров ООС нооСшу^м» I [роизищить на чистых клубнях.

Для определения нсирспшости измерения формы клубня 01 «эаришию] гпг«жим спо-

собоч была проведена десятикратная оценка данного параметра для одного и того же клубня. В программу оценки формы был введен поправочный коэффициент, преобразующий разрешение изображения в метрическую систему измерения. Величина систематической ошибки измерения была принята равной 0,5 мм (систематическая ошибка измерения линейки). Учитывая, что форма ютубня определяется согласно (1Д величина систематической ошибки оценки формы определится по формуле;

_ Эф йф

(30)

гд е Ф - среднее значение формы;

—- частные производные функции Ф по переменным г^г соответственно. Случайная ошибка оценки формы клубня определится по формуле:

4ф = ±ф.|(%+(^ т У 2t Z j '

где ¿г,, Az2 - доверительные интервалы длины и ширины при заданных довфигельных вероятностях.

Суммарная ошибка оценки формы определится по формуле сложения ошибок

^ДФ1 +ЭФ1 . (32)

Отжоггельная погрешность юмерения формы клубня:

Т

£ = ^-■100%. РЗ)

На основании статистической выборки ш 10 измерений формы были найдены средние значения величин Z[H Zj, их абсолютные и среднеквэдратичеосие ошибки, а также доверительные интервалы с надёжностью Ри »0,95. На основании этих величин было определено среднее значение параметра Ф и соответствующие ему ошибки и погрешность (30-33).

В результате соответствующих вычислений были получены следующие результаты: ЭФ = 0,026, ДФ = 0,0062 £ « ЭФ = 0,026 (случайная ошибка оказалась на порядок меньше систематической), три этом относительная погрешность оценки формы клубня составила J ,<54%. Принимая допущение о постоянстве значений суммарной ошибки и ошоси-тельной погрешности для всех измерений формы электронноогтгическим устройством, мож}ю записать окончательный результат в виде Ф = Ф± 0,026 с надёжностью Р„=0,95.

Другим результатом проведённых испытаний стало окончательное обоснование параметров работы системы. По результатам испытаний огпимальный размер изобретения (с точки зрения быстродействия и результирующей вероятности оценки) составил 640*480

пикселей, а дая оценки цвета основания пшкз768*1024 пикселя.

Для оценки экономической эффективности за основу был взят метод сравнительной эффективности, заключающийся в попарном сопоставлении показателей базового и нового вариантов. В тчесгае хритермя эффективности принимался прирост прибыли:

ДP=P<,-Pt, (34)

где йР - прирост прибыли;

А А - прибыли альтернативного и базового вариантов соответственно.

Предполагаемый экономический эффект за сезон от использования злектроннооггго-ческой системы оценки параметров для испытания ортов картофеля на сортоиспытательной станции заключался в сокращении затрат труда и составил на единицу оборудования 836 рублей. Ди семеноводческого хозяйства шюшэдыо 45 га предполагаемый экономический эффект заключается в предупреждении потерь, возникающих три ршвеаении выровненного семенного материала, и составляет 226 тыс. руб. на пятилетнем интервале ссртосопрово-ждения, со сроком окупаемости около года.

ОСНОВ11ЫК РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Аналитический обэор систем контроля качества агропродукции показал актуальность разработки атектроннооптттчесмого устройства на основе ГОС-сенсора для оценки морфологических параметров клубней в процессах сортоиспытания и сорторззмножения, благодаря которому обеспечивается днетанционность, высокая информативность востра ятия параметров, удобство обработки и хранения цифровой информации.

2. Для процессов сортоиспытания и соргораэмножшия семян картофеля определена функциональная схема информационного сопровождения данными о морфологических параметрах клубней сортового картофеля, поступающих от электронноогггического >стройсг-ва, предусматривающая сбор, обработку и принятие решения о степени выраженности или вцромдашости осрга на многолетнем интервале воспроизводства

3. В результате теоретических исследований процесса аналша изображений, разработана двухэтапная структура оценки морфологических параметров клубней, предусматривающая: на первом этапе - предварительную обработку изображений и формирование набора признаков параметра клубня; на втором этапе - сравнение набора признаков с признаковыми описаниями классов параметра и определение степени его выраженности. Доказана необходимость предвариюидаого обучения устройства мешком "обучение с учителем" для оценки цветовых гераметров клубней, а для оценки формы клубня рассчитаны линейные 4ункиии, разграничивающие классы тиртмепра.

4. Сравнительный агализ цветовых систем RGB и HSV гшволнл установить, что расчёт цвета и составление алфавита классов цветовых параметров клубней (цвет кожуры, ц вет

21

мякши, цист основания швда) нообщцимо производщь в имшнейисй цветовой системе IISV ими иросгош расч5га и минимального «юи признаков (коорданата Н), I июбхсстимых дни онксалия цвия. Алфавит клаооов оостаишсн по результатам исследования цветовых па-раме1ров кп>б| ieñ 15 эюлопных сортов.

5. I fe осионмшн двухзганюй структуры энектрсяиюошическ«! оценки морфологических иарамшрои клубпэг разработаны авгомаяизнрованные алгоритмы определения сгате-!Ш пыршисиносш: формы, цнета кожуры, цвета мякоти, цвета основания гсшка, которые рсали юшиы с i юмотчо пакета i ржладпых программ Imagp Processing Tooibox, ачозщцих в cocían системы MA'ILAU 6.1.

6. Ра:«работала шифамюя часть и изготовлен Ла6ораторно-ста1шо1юр!>ый вариант алегаронгюоцт'ксимт) устройства огцэжи морфологических параметре» клубней. Устройство одкржип персональный компьютер, цифровой фотоаппарат, шипи, интерфейс связи, систему освсзпения, зону кошроля и фон. Формирование цифрового изображения и оценка параметров осупкхтшгаекя индивидуалы» дня каждого клуб| и. Экспериментально опредо-лш параметры работы устройства, количество, размеры и формат цифровых изображений, а также поеждовэтелы toen. оценки i ираметров анализируемого клубня.

7. Производственные испытания элеюроннооптического усгройстаа оценки параметров Kiiy&Kfi, нровед&шые в ШУ "Ёисцкав опытая станция по картофелю" Епецкшо района Лидкцкой области »оказали его вьюокую эффективность при оорпосонроновдении семенного машриала ш сравнению с визуальным экспертным способом. Вероятность бсэ-опшбочжй оценки няраморов пробы клубней эталонных морфологических параметров составила 97%. Í )ршя оца1ки морфеи готических параметров одного клубш составило не менее 35 (х

& Цхуцюлагасмый годовой экономический эффект за счет предупреждения потерь ашатшх с разведен нем вырожденного семенного материала для семаюяодчсского хозяйства ]вк*1ВДЦ!ло 45 га составил 45,2 тыс. руб., для сортоиспытательной станции при испытании оориоп каргофеля эффект заключайся в сокращении затрат jpypii и составил £36 руб. в 1Шиа сдгаш1 ^ o6opyj юиапии.

Octwuiiiiic ншмккншм диссертации oiiylxiit кованы н следующих работах:

]. JJaiuiufou ЛМ, Покидов OÍ3. В<твжиосги применения цифровых систем ввода изображений и производстве семенного картофеля. // Развитие информационного обеспечения и инновационной детальности. Научные труды ВИМ, т. 143, — М: ВИМ, 2002.С.76-84.

2. гилов АМ, 11окидоо СШ. Измерение птошади листьев растений на основе анализа видео! рфроиых изображений // Энергообеспечение и я ергосбережеше в сельском хснийсше. Труды 3-й Международней научцо-техшгкасой конференции. Ч 2,-Мл

22

ГНУ ВИЭСХ,2003, с. 94-98.

3. Поедцов ОВ. Разработка алгоритма определения относительной площади неоднородных областей на поверхности среза ютубней картофеля // Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве. Труды 3-й Международной научно-технической конференции. Ч 2.-М: ГНУ ВИЭСХ.2003, с. 230-234.

4. Балашов АМ, Покидав ОВ, Соромотяга АА Анализ области применения видеоцифровых систем контроля качества атропродукции за рубежом. // Вестник ФГОУ ВПО МГАУ. Серия "Элекгротехнодогии, электрификация и автоматизация сельского хозяйства", Научный журнал. 2003. №3.с.10б-Пг

5. Башилов АМ, Покидов ОВ. Обоснование технологических операций и алгоритмов видеоци(})ровой ршклраиии качества клубней картофеля. // Вестник ФГОУ ВПО МГАУ. Серия "Электрогехнологии электрификация и автоматизация сельского хозяйства". Научный журнал 2003. №3. с. 118-123.

<5. Покидов ОВ. Отенка формы клубней картофеля по цифровому изображению. // Энергообеспечение и энергосбереэкение а сельском хозяйстве. Труды 4-й Международной тучно-технической конференции. Ч 2.-М: ГНУ ВИЭСХ, 2004, с. 316-320.

7. Поедпов ОВ. Проденемте системы МАПАВ в агрзрнък технологиях. // Проектирование инженерных и научных приложений в среде МАПАВ. Труды 2-ой Всероссийской научной конференщм. М.: НПУ РА12004. с 1790-1796.

8. Покидов ОВ. Внаеоцифровая система определения цветовых параметров клубней картофеля. // Автоматизация сельскохозяйственного цютводства. Сборник докладов международной научно-технической конференции. Ч.2.-М.: В ИМ, 2004, с. 373-379.

9. Башилов АМ, Покидов ОВ. Теоретическое исследование процесса анатш видео-иифровых изображений клубней и ростков картофеля. // Автоматизация и информатизация элеетрифиштроаанного сельскохозяйственною производства. - М: ГНУ ВИЭСХ, 2004, с 158-165.

10. Заявка 2003136180 на Патент РФ, Способ самоорганизующейся реализации технологии производства агропродукции. /Башилов АМ, Покидов СШ, Сорошгяга АА 17.122003. // Положительное решение о выдаче Патента РФ 19.052005.

Подписано в печаль 07,06,2005г. Тираж 120 экз.

Формат 60х84\1б

Уч, - изд. л. 1.5 Заказ № 22

Отпечатано в ОО и ВП ОАО «РОСЭП» 111395, г. Москва, Аллеи Первой Маевкн,15