基于激光散斑檢測玉米種子活力方法的研究_圖文

1、第卷第期年月應用激光，基于激光散斑檢測玉米種子活力方法的研究王佩斯，畢昆（長春理工大學光電工程學院，吉林長春；北京農業(yè)信息技術研究中心，北京）摘要激光散斑成像技術在醫(yī)學和生物等領域得到廣泛應用，照射對象內部變化可以產生動態(tài)變化的散斑圖像。利用待測對象內部的散射粒子的動態(tài)變化與激光散斑變化的對應關系，結合激光散斑的統(tǒng)計學特性模擬相應算法，通過圖像處理技術分辨出待測對象內部的動態(tài)變化程度。農作物種子內部粒子的活躍程度體現種子的活力，所以可以通過激光散斑技術的這個特點結合種子自身特性來分辨出作物種子的活力區(qū)域與非活力區(qū)域。關鍵詞激光散斑成像；中圖分類號：動態(tài)散斑：圖像處理算法；種子活力：文獻標識碼：

2、，（，），；引言自從上個世紀年代激光發(fā)明以來，激光散斑的應用日益廣泛。以激光散斑干涉技術為主的激光散斑測試技術在檢測領域發(fā)揮著其巨大的作用，年代隨著微電子技術的發(fā)展，散斑技術進入了與光電技術結合的精密計量階段，近些年來隨著散斑技術理論的進一步成熟和相關設備的發(fā)展，逐漸把散斑測試技術應用于生物體檢測上來，目前國內外相關的激光散斑測試血液流速的技術和設備已經比較成熟。近年來一些國外的專家和學者在植物散斑方面也做了初步的研究。年阿根廷科學家等人將散斑技術用于種子的檢測吲，利用動態(tài)散斑研究種子的活力，提出了利用共生矩陣的轉動慣量算法來定量的分析種子活力。和等人利用廣義差分的概念來研究種子活力。種子的活

3、力會在其激光散斑圖像中有所反應，這是利用激光散斑圖像來判斷種子活力的重要依據。在成像散斑中，散斑圖像隨著散射顆粒的運動而變化，從而形成動態(tài)的時變散斑圖像。雖然散斑的強度分布是隨機的無規(guī)律的，但是動態(tài)散斑的運動與散射粒子的運動存在的某種對應?；谶@個想法年代由等人又提出了激光散斑成像技術。目前，這種技術更多的應用于血液流速的檢測方面。血液內部的散射物質為血紅細胞，所以探測血液的流速主要是通過檢測血液內部血紅細胞的移動來實現的。但是利用激光散斑檢測種子活力的技術還處在起步階段，種子內部的活力主要由其內部微小粒子的無規(guī)則移動體現，被激活的種子其內部的活動明顯，利用激光動態(tài)散斑來撲捉種子內部的運動無疑

4、是一種非常合適的方法。收稿日期：卜；收到修改稿日期：卜基金項目：北京市自然科學基金資助項目（項目編號：）散斑的原理和成因散斑的原理有活力的種子內部粒子運動明顯，動態(tài)的散射粒子產生動態(tài)的散斑，動態(tài)的散斑可以反映種子內部粒子的活躍程度，從而可根據種子內部粒子的活躍程度來判斷種子的活力程度，這就是激光散斑測量種子活力的基本思想。散斑的成因當相干光從粗糙表面反射或者從含有散射物質的物體向后透射時，會形成不規(guī)則的光強分布，出現隨機分布的斑點。此時反射或透射物體可以看成是由無數分布不規(guī)則的微小面元組成。相干光照射時，不同面元的反射或者透射會引起相干光的光程差。此時這些微小面元就相當于新的光源，這些光源發(fā)出

5、的光線在空間相干疊加后，可以觀察到隨機分布的顆粒狀散斑圖案，這就是散斑的形成原理口。在激光發(fā)明的初期，激光散斑一直被當做是影響成像質量的有害因素來處理。隨著全息技術的進一步發(fā)展，人們逐漸認識到散斑在工程測試領域的優(yōu)勢，它以其非接觸、無損等諸多優(yōu)點在各個領域受到青睞。人們常常按照散斑的傳播方式把散斑分成遠場散斑，近場散斑和像面散斑。遠場散斑和近場散斑是通過自由空間傳播形成，所以又稱之為客觀散斑，圖為客觀散斑形成的原理圖。把像面散斑又叫做主觀散斑，如圖所示。圖客觀散斑成因一茲聱專渺圖主觀散斑成因得到種子散斑活力分布圖像的相關算法對種子進行散斑圖像取樣，主要對種子進行主觀散斑圖像取樣。然后對所得的種

6、子散斑圖像進一步進行灰度處理得到相應的種子散斑的灰度圖像。然后結合散斑圖像統(tǒng)計性的性質進一步對種子的散斑圖像進行算法處理，得到可以分辨種子活力的最終結果圖。處理種子灰度散斑圖像主要有以下幾種算法，時間對比度算法、廣義差分算法、時程散斑算法和圖像頻譜分解分析法等。下面簡單介紹這幾種算法。（）時間對比度算法，是一種利用散斑圖像的時間上的統(tǒng)計特性，利用連續(xù)拍攝多幅圖像來計算像素點的對比度的方法。對比度為辛連續(xù)時間內連續(xù)拍攝多幀散斑圖像，把這副圖像看成是一個維的矩陣×，根據對比度的定義計算出每個像素位置關于時間變化的對比度值。如圖所示把彼此對應的個點作統(tǒng)計研究，得到一幅對比度值構成的圖像明，

7、稱之為時間對比度散斑圖像。圖時間對比度算法原理（）廣義差分算法是年由等人提出，這個算法的是通過連續(xù)拍攝多幅圖像，然后對圖像的每個像素進行變化量累計，得到像素的總體變化量。其定義為，（厶（一（）把每個像素在時間軸上的總體變化量，（，）按式（）求解，然后把每個像素的總體變化量構成的圖片形成廣義差分的散斑圖像，其結果與厶的順序無關，得到的廣義差分的散斑圖像的亮區(qū)域即為光強變化活躍的區(qū)域（也就是種子內部散射粒子活的活躍區(qū)）而圖像的暗區(qū)域就為光強變化平穩(wěn)的區(qū)域。這種算法得到的圖像和時間對比度算法所得到的圖像相似，但是其計算的數據量比時間對比度算法的計算量大很多。（）時程散斑算法是年由等研究者提出的口，它

8、有別于前兩種算法直接利用散斑圖像的明暗區(qū)域來區(qū)分生物體的活躍區(qū)域，而是利用一種更佳直觀的以直方圖的方式來比較種子的活性。它利用了共生矩陣的思想，共生矩陣是把圖像上保持某距離的兩個像素點分別具有的灰度狀況進行統(tǒng)計。以零度掃描生成的共生矩陣為例（即水平相鄰的兩個像素點為像素對）兩水平相鄰像素點，）與，）在整個圖像上移動，如圖所示。得到很多組不重復像素值對，），）。統(tǒng)計出每一組廠，），廠，）出現的次數，把總次數歸一化后各組合出現次數所構成的矩陣就是共生矩陣慨（）對于種子的時程散斑算法而言，是一組圖片組成的三維矩陣的高度和深度所構成的二維矩陣的零度掃描生成的共生矩陣。圖共生矩陣求解原理為了從這個矩陣中

9、得到定量的測量結果，有必要進一步對它進行處理，用共生矩陣中的每個元素比上其所在行的行元素和構成新的矩陣鴨長（）這個新矩陣稱作修改共生矩陣，它與直方圖的原理相近。更進一步的度量方法可以用這個矩陣的總和乘上它與主對角線行距的平方值陋，得到蚴。尬構成的直方圖可以清楚的反應散斑的動態(tài)變化（）（）（）圖像頻譜分解分析法是把變化的散斑圖像中的每一個像素看成是一個強度波動的信號。由于種子中散射粒子移動得快慢不同，所以活躍區(qū)域和穩(wěn)定區(qū)域形成的信號就會有差異。通過巴特沃斯濾波器來處理這些信號，最終獲得信號之間的差異乞（）（）為這些采樣像素點平方和。最后由每個像素點求得的既組成的矩陣既就為圖像譜分解算法得到的圖片

10、。如果利用巴特沃斯低通來實現信號的濾波處理的話，醐圖片的亮區(qū)域就為種子內部的活力強的區(qū)域，相反的如果采用巴特沃斯高通濾波器的話，圖片的暗區(qū)域就為活力較強的區(qū)域。實驗裝置實驗的光源采用波長為，功率為的氦氖紅光激光器，其結構簡單，價格低廉，可以輸出連續(xù)的可見光，諸多優(yōu)點考慮比較適合本實驗的要求。擴束準直系統(tǒng)采用焦距為的顯微物鏡和焦距為的雙膠合透鏡組合擴束倍率為大約為倍，在準直擴束系統(tǒng)的中心焦點上裝有大小為斗的針孔以起到空間濾波和提高空間相干度的作用。從系統(tǒng)出射的激光光斑的直徑大約為，能夠覆蓋一般作物種子。并且光斑直徑的進行探測，被圖所示為玉米種子的原始散斑圖像。可以看到玉米的原始散斑圖只能分辨一個

11、玉米種子的輪的主觀散斑圖。實驗的具體步驟是：調試激光出射的表面，利用相機垂直對準種子的散斑圖像進實驗方法和裝置在此范圍時，光斑的能量和均勻程度很適合對種子散斑圖像的拍攝，采用檢測種子的光信息通過成像鏡頭成像于的光敏面上。實驗裝置簡圖如圖所示。實驗方法廓。原始散斑圖像是由激光直接照射種子表面得到系統(tǒng)使經過擴束后的激光光斑完全覆蓋玉米種子行拍攝。為了得到有對比效果的圖片結果，分別拍張圖片各區(qū)域的變化量累計的差異可以很清楚攝張經激活和未被激活的玉米種子的散斑照的反應出在拍攝的時間內玉米種子內部的變化差片，把這張種子的原始散斑圖像進行灰度轉異。對于最終的結果圖像來說變化量累計的值越換，然后利用應用程序

12、軟件編輯相應的算高，灰度值越高的區(qū)域也就說明種子在這個區(qū)域內法公式分別對這兩組圖片進行算法處理。的內部粒子運動越活躍。而圖（）中未被激活的玉米種子在進行廣義差分算法處理后的圖像內部沒有呈現出明顯灰度差異，整個圖像都表現為低灰度值且近似一致的狀態(tài)。證明其內部沒有明顯的粒子移動，沒有表現出活力。圖激光散斑成像系統(tǒng)實驗裝置對比圖圖玉米種子的原始散斑圖像（）為激活后的種子（）為未經激活玉米（）（）圖是經過水激活的玉米種子和未經激活的玉米種子的兩組原始散斑圖像利用軟件進通過以上對比實驗說明了激光散斑在研究玉行廣義差分算法處理后的對比圖像。廣義差分算法米種子內部活力方面還是行之有效的。為了進一步是對散斑圖

13、像的每個像素在時間軸上進行變化量驗證分辨活力區(qū)域的結果的正確性，又更進一步做累計的算法，其具體算法公式在上一章節(jié)已經介紹這里不在累述。圖（）是經過激活的種子經過廣義化三苯基四氮唑，是脂溶性光敏感復合物，利用眥了玉米的溶液染色實驗。名為，一氯差分算法處理的圖像，為了得到更直觀的結果把最染色是國際上檢測種子活力的通用方法?？梢越K圖像進行偽彩化處理?？梢院苊黠@的看出圖（）有效的分辨出種子內部的活力區(qū)域，在一定的溫度內部灰度分布參差不齊。根據廣義差分算法的變量下經過浸泡過的種子其內部活力的部分會被累計的原理，可以知道圖像中灰度值高的區(qū)域為玉染成紅色。具體實驗步驟為：取出選好的種子并且米種子圖像灰度變化

14、量累計大的區(qū)域。連續(xù)拍攝的對其進行散斑拍照，同樣連續(xù)拍攝張散斑原始圖像。對這張種子散斑圖像進行時間對比度算法處理，時間對比度算法是一種利用散斑圖像的時結論散斑檢測技術以其無損、高效、全場等優(yōu)點無間上的統(tǒng)計特性，其與廣義差分算法原理類似，相當于是散斑圖像同一像素點的灰度值關于時間的變化量累計的平均，圖（）為這個玉米種子經時間對比度算法處理后的效果圖。由圖中可見玉米種疑將在生物測試領域產生深遠影響。本文闡述了激光散斑的成因和分類，并以激光散斑的統(tǒng)計學特性為基礎，研究了待測物體的動態(tài)信息和其產生的動態(tài)散斑之間的對應關系。其中以玉米種子的活力測試為實例，闡述了測試玉米種子動態(tài)散斑的方法和設備，并且闡明

15、了后期處理種子散斑圖像的四種算法。在利用激光散斑測試種子活力方向的研究做了初步的探視。子內部灰度值高低分布明顯，灰度值大的呈現亮一些的區(qū)域說明內部變化活躍，即表現出較強的活力。在拍攝完圖像后把這個玉米種子浸泡在溶液中并且在恒溫的水浴鍋中進行保溫，后取出被染色的玉米種子。圖（）為這個玉米種子經過溶液染色后的效果圖。參考文獻，從圖中兩個圖片的對比，明顯可以看出激光散斑的測試結果和染色后的結果完全吻合，玉米種子的散斑圖像在胚的區(qū)域內部散射粒子表現活躍，其胚部分活力明顯。經過染色后，也正好驗證了玉米種子的胚的部分是活力較強的區(qū)域。通明，（）：，田過這兩個實驗可以得出結論通過處理種子的散斑圖像來分辨種子

16、活力的這方法是可行的。，（）：【】：，劉培森散斑統(tǒng)計學光學基礎【】北京：北京科學出版社。】，唧，（）：，（，（）：】，（）：田，（）：圖（）時間對比度算法得到的玉米散斑圖（）相同種子被染色（）（）基于激光散斑檢測玉米種子活力方法的研究 作者： 作者單位： 刊名： 英文刊名： 年，卷(期： 被引用次數： 王佩斯， 畢昆， Wang Peisi， Bi Kun 王佩斯,Wang Peisi(長春理工大學光電工程學院,吉林長春,130022， 畢昆,Bi Kun(北京農業(yè)信息技術研 究中心,北京,100011 應用激光 Applied Laser 2011,31(6 2次 參考文獻(8條 1.ARI

17、ZAGA R;CAP N;RABAL H J Display of local activity using dynamical speckle patterns 2002(41 2.ROBERT A;BRAGA Jr;GIOVANATO Detection of Fungi in Bean by the Laser Bio-speckle Technique 2005(04 3.JOSEPH W GOODMAN Speckle Phenomena in Optics:Theory and Application 2006 4.劉培森 散斑統(tǒng)計學光學基礎 1987 5.FERCHER A F;

18、BRIERS J D Flow visualization by means of single-exposure speckle photography 1981(37 6.SENDRA G H;ARIZAGA R;H RABAL Decomposition of biospeckle images in temporary spectral bands外文期刊 2005(13 7.OULAMARA A;TRIBILLON G;DUVERNOY J Biological activity measurement on botanical specimen surfaces using a temporal decor re