中国农业科学 ›› 2023, Vol. 56 ›› Issue (22): 4428-4440.doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2023.22.006
唐振三1(), 袁剑龙1, 康亮河2, 程李香1, 吕汰3, 杨晨3, 张峰1()
收稿日期:
2023-03-17
接受日期:
2023-07-24
出版日期:
2023-11-16
发布日期:
2023-11-17
通信作者:
联系方式:
唐振三,E-mail:1316740746@qq.com。
基金资助:
TANG ZhenSan1(), YUAN JianLong1, KANG LiangHe2, CHENG LiXiang1, LÜ Tai3, YANG Chen3, ZHANG Feng1()
Received:
2023-03-17
Accepted:
2023-07-24
Published:
2023-11-16
Online:
2023-11-17
摘要:
【目的】 马铃薯薯皮粗糙度分级研究可以提供块茎外观品质性状无损检测方法,为客观评价品质质量和高通量筛选品种提供理论和实践基础。【方法】以79份马铃薯品种(系)为供试材料,利用相机采集有/无芽眼的薯皮图像。基于MATLAB R2016a软件对薯皮图像预处理,随机选择8份材料用相关函数指标比较图像灰度化、增强及去噪效果。利用灰度共生矩阵(gray level co-occurrence matrix,GLCM)提取图像特征参数角二阶矩(angular second moment,ASM)、熵(entropy,ENT)、对比度(contrast,CON)和相关度(correlation,COR),并确定矩阵最适像素距离(d)。比较两类薯皮图像特征参数间的差异,选择差异较小的薯皮图像特征集进行统计分析和分类识别。构建支持向量机(support vector machines,SVM)和BP神经网络(backpropagation neural network,BPNN)模型对薯皮粗糙度分级分类,模型分级精度评价指标为准确率、精准率、召回率及调和平均数。【结果】加权平均值法进行灰度处理后的薯皮图像纹理结构清晰,图像清晰度评价值为2.5698±0.5959,显著高于平均值法(1.8035±0.4856)和最大值法(1.0535±0.4088);直方图均衡化增强后的薯皮图像灰度级范围由100—200扩大为0—200,灰度分布更加广泛;中值滤波对3×3窗口下的薯皮图像椒盐噪声去噪效果明显,峰值信噪比(peak signal-to-noise ratio,PSNR)最大((28.6250±3.9784)Bp),显著高于3×3和5×5窗口下对高斯噪声去噪后的PSNR。通过GLCM(d=4)提取的两类薯皮图像特征参数间差异显著,选择其中差异较小的无芽眼薯皮图像特征集进行统计分析和分类识别,结果表明该特征集变异系数差异明显,对比度变异系数最大(0.40),其次是角二阶矩(0.24)和相关度(0.23),熵变异系数最小(0.18)。将该特征集作为分类模型输入变量用于薯皮分类,相较于BP神经网络,SVM对马铃薯薯皮粗糙度的整体分类性能较高,准确率为87.5%。其中,对光滑皮和重麻皮的预测准确度和识别能力最高,精准率均为100%,召回率分别为85.7%和100%,调和平均数分别为92.3%和100%。【结论】综合利用本研究提出的图像处理技术及GLCM提取的纹理特征参数能有效表征马铃薯块茎薯皮粗糙度差异;通过构建SVM分类模型可实现基于机器视觉的马铃薯薯皮粗糙度分级,且准确率达87.5%。
唐振三, 袁剑龙, 康亮河, 程李香, 吕汰, 杨晨, 张峰. 基于图像特征识别的马铃薯薯皮粗糙度分级研究[J]. 中国农业科学, 2023, 56(22): 4428-4440.
TANG ZhenSan, YUAN JianLong, KANG LiangHe, CHENG LiXiang, LÜ Tai, YANG Chen, ZHANG Feng. Potato Tuber Skin Roughness Classification Analysis Based on Image Characteristics Recognition[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2023, 56(22): 4428-4440.
表1
79份供试材料编号"
品系编号 Variety code | CIP编号 CIP entry | 品系编号 Variety code | CIP编号 CIP entry | 品系编号 Variety code | CIP编号 CIP entry | ||
---|---|---|---|---|---|---|---|
G4 | CIP 392617.54 | G72 | CIP 395436.8 | Innovator | |||
G8 | CIP 393227.66 | G74 | CIP 396311.1 | 1412-1 | |||
G9 | CIP 393228.67 | G82 | CIP 397044.25 | 1428-1-35 | |||
G12 | CIP 392657.171 | G84 | CIP 397065.2 | 2137 | |||
G13 | CIP 393280.64 | G89 | CIP 397079.26 | 1867 | |||
G14 | CIP 391047.34 | G96 | CIP 397197.9 | 215 | |||
G16 | CIP 393085.5 | G97 | CIP 398014.2 | Lucinda | |||
G17 | CIP 398192.213 | G99 | CIP 388615.22 | 0933-5 | |||
G18 | CIP 398098.119 | G101 | CIP 390637.1 | 0933-1 | |||
G19 | CIP 398098.203 | G102 | CIP 391180.6 | 1416-5 | |||
G27 | CIP 398208.33 | G104 | CIP 391724.1 | 0730-185 | |||
G31 | CIP 301029.18 | G106 | CIP 392740.4 | 1425-1-13 | |||
G32 | CIP 301040.63 | G108 | CIP 392759.1 | 0938-2-7 | |||
G33 | CIP 300046.22 | G113 | CIP 397035.26 | 0730-180 | |||
G35 | CIP 300054.29 | G115 | CIP 302476.108 | 0730-156 | |||
G36 | CIP 300056.33 | G118 | CIP 304350.100 | 1425-1-27 | |||
G42 | CIP 300101.11 | G121 | CIP 304371.67 | 0730-211 | |||
G44 | CIP 385499.11 | G122 | CIP 304383.41 | 0916-1 | |||
G47 | CIP 388972.22 | G133 | CIP 394904.20 | 0902-1-9 | |||
G51 | CIP 392781.1 | 希森6号Xisen no.6 | 0938-2-18 | ||||
G52 | CIP 392797.22 | 大西洋Atlantic | 0941-1-17 | ||||
G57 | CIP 394034.7 | 早大白 Zaodabai | 0941-1-1 | ||||
G62 | CIP 394613.32 | Memphis | 0902-4 | ||||
G63 | CIP 394614.117 | 费乌瑞它Favorita | |||||
G65 | CIP 395186.6 | 布尔班克 Burbank | |||||
G67 | CIP 395195.7 | 陇薯10号 Longshu no.10 | |||||
G68 | CIP 395196.4 | 荷兰15号 Helan no.15 | |||||
G70 | CIP 395432.51 | 夏波蒂Shepody |
表9
分类精度结果"
类别 Category | 测试集 Test set | 支持向量机Support vector machine | BP神经网络 BP neural network | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
准确率 Accuracy (%) | 精准率 Precision (%) | 召回率 Recall (%) | F1 (%) | 准确率 Accuracy (%) | 精准率 Precision (%) | 召回率 Recall (%) | F1 (%) | ||
重麻皮 Heavy hemp skin | 24 | 87.5 | 100 | 100 | 100 | 58.3 | - | - | - |
麻皮 Hemp skin | 24 | 100 | 77.8 | 87.6 | 50 | 57.2 | 53.4 | ||
略麻皮 Slightly hemp skin | 24 | 70 | 100 | 82.4 | 60 | 66.6 | 63.3 | ||
光滑皮 Smooth skin | 24 | 100 | 85.7 | 92.3 | 67.7 | 57.1 | 62.4 |
[1] |
国家市场监督管理总局, 中国国家标准化管理委员会. 植物品种特异性、一致性和稳定性测试指南马铃薯:GB/T 19557.28—2018. 北京: 中国标准出版社, 2018.
|
State Administration for Market Regulation; Standardization Administration of the People's Republic of China. Guidelines for the conduct of tests for distinctness, uniformity and stability-Potato (Solanum tuberosum L.): GB/T 19557.28-2018. Beijing: Standard Press of China, 2018. (in Chinese)
|
|
[2] |
韩仲志, 赵友刚. 利用花生荚果图像特征识别品种与检验种子. 作物学报, 2012, 38(3): 535-540.
|
doi: 10.3724/SP.J.1006.2012.00535 |
|
[3] |
王红军, 熊俊涛, 黎邹邹, 邓建猛, 邹湘军. 基于机器视觉图像特征参数的马铃薯质量和形状分级方法. 农业工程学报, 2016, 32(8): 272-277.
|
|
|
[4] |
姜宏, 于永波, 章翔峰, 陈宇彤. 马铃薯外部品质分级方法综述. 科学技术与工程, 2022, 22(14): 5519-5527.
|
|
|
[5] |
周竹, 黄懿, 李小昱, 文东东, 汪成龙, 陶海龙. 基于机器视觉的马铃薯自动分级方法. 农业工程学报, 2012, 28(7): 178-183.
|
|
|
[6] |
刘丽, 匡纲要. 图像纹理特征提取方法综述. 中国图象图形学报, 2009, 14(4): 622-635.
|
|
|
[7] |
展慧, 李小昱, 王为, 汪成龙, 周竹, 黄懿. 基于机器视觉的板栗分级检测方法. 农业工程学报, 2010, 26(4): 327-331.
|
|
|
[8] |
薄华, 马缚龙, 焦李成. 图像纹理的灰度共生矩阵计算问题的分析. 电子学报, 2006, 34(1): 155-158, 134.
|
|
|
[9] |
doi: 10.1049/ipr2.v14.11 |
[10] |
doi: 10.1016/j.jfoodeng.2012.10.018 |
[11] |
doi: 10.3390/s22010146 |
[12] |
张超, 乔敏, 刘哲, 金虹杉, 宁明宇, 孙海艳. 基于无人机和卫星遥感影像的制种玉米田识别纹理特征尺度优选. 农业工程学报, 2017, 33(17): 98-104.
|
|
|
[13] |
谢元澄, 徐焕良, 谢庄. 基于牛肉大理石花纹标准(BMS)图像的纹理特征分析. 中国农业科学, 2010, 43(24): 5121-5128. doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2010.24.016.
|
|
|
[14] |
高程程, 惠晓威. 基于灰度共生矩阵的纹理特征提取. 计算机系统应用, 2010, 19(6): 195-198.
|
|
|
[15] |
刘涛, 仲晓春, 孙成明, 郭文善, 陈瑛瑛, 孙娟. 基于计算机视觉的水稻叶部病害识别研究. 中国农业科学, 2014, 47(4): 664-674. doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2014.04.006.
|
|
|
[16] |
党满意, 孟庆魁, 谷芳, 顾彪, 胡耀华. 基于机器视觉的马铃薯晚疫病快速识别. 农业工程学报, 2020, 36(2): 193-200.
|
|
|
[17] |
doi: 10.1007/s00217-012-1844-2 |
[18] |
doi: 10.1007/s13197-013-1123-7 pmid: 25745214 |
[19] |
doi: 10.1016/j.compag.2019.02.005 |
[20] |
doi: 10.1016/j.isprsjprs.2020.02.013 |
[21] |
doi: 10.1016/j.camwa.2011.11.019 |
[22] |
纪娜, 何国荣. 基于灰度识别的猕猴桃形状疤痕图像纹理特征提取方法. 自动化与仪器仪表, 2019(1): 159-162.
|
|
|
[23] |
李祚林, 李晓辉, 马灵玲, 胡玥, 唐伶俐. 面向无参考图像的清晰度评价方法研究. 遥感技术与应用, 2011, 26(2): 239-246.
|
|
|
[24] |
宋凤菲. 彩色图像灰度化及其效果的客观评价方法研究[D]. 泉州: 华侨大学, 2014.
|
|
|
[25] |
杨卫中, 徐银丽, 乔曦, 饶伟, 李道亮, 李振波. 基于对比度受限直方图均衡化的水下海参图像增强方法. 农业工程学报, 2016, 32(6): 197-203.
|
|
|
[26] |
孙宏琦, 施维颖, 巨永锋. 利用中值滤波进行图像处理. 长安大学学报(自然科学版), 2003, 23(2): 104-106.
|
|
|
[27] |
刘祝华. 图像去噪方法的研究[D]. 南昌: 江西师范大学, 2005.
|
|
|
[28] |
|
[29] |
doi: 10.1109/TSMC.1973.4309314 |
[30] |
侯群群, 王飞, 严丽. 基于灰度共生矩阵的彩色遥感图像纹理特征提取. 自然资源遥感, 2013, 25(4): 26-32.
|
|
|
[31] |
蔡苇荻, 张羽, 刘海燕, 郑恒彪, 程涛, 田永超, 朱艳, 曹卫星, 姚霞. 基于成像高光谱的小麦冠层白粉病早期监测方法. 中国农业科学, 2022, 55(6): 1110-1126. doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2022.06.005.
|
|
|
[32] |
李智峰, 朱谷昌, 董泰锋. 基于灰度共生矩阵的图像纹理特征地物分类应用. 地质与勘探, 2011, 47(3): 456-461.
|
|
|
[33] |
郑冠楠, 谭豫之, 张俊雄, 李伟. 基于计算机视觉的马铃薯自动检测分级. 农业机械学报, 2009, 40(4): 166-168, 156.
|
|
|
[34] |
黄辰, 费继友. 基于图像特征融合的苹果在线分级方法. 农业工程学报, 2017, 33(1): 285-291.
|
|
|
[35] |
魏永康, 杨天聪, 臧少龙, 贺利, 段剑钊, 谢迎新, 王晨阳, 冯伟. 基于无人机多光谱影像特征融合的小麦倒伏监测. 中国农业科学, 2023, 56(9): 1670-1685. doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2023.09.005.
|
|
|
[36] |
高传新, 殷勇. 数码相机ISO感光度的调整对刑事案件中痕迹检验照相质量的影响. 影像技术, 2008, 21(3): 33-35.
|
|
|
[37] |
|
[38] |
唐俊, 邓立苗, 陈辉, 栾涛, 马文杰. 基于机器视觉的玉米叶片透射图像特征识别研究. 中国农业科学, 2014, 47(3): 431-440. doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2014.03.003.
|
|
|
[39] |
杨嘉能. 基于直方图均衡的图像增强算法优化研究[D]. 乌鲁木齐: 新疆大学, 2021.
|
|
|
[40] |
陈永亮. 灰度图像的直方图均衡化处理研究[D]. 合肥: 安徽大学, 2014.
|
|
|
[41] |
宁媛, 李皖. 图像去噪的几种方法分析比较. 贵州工业大学学报(自然科学版), 2005, 34(4): 63-66.
|
|
|
[42] |
杨光义. 图像质量评价及其在图像去噪中的应用研究[D]. 武汉: 武汉大学, 2018.
|
|
|
[43] |
苑丽红, 付丽, 杨勇, 苗静. 灰度共生矩阵提取纹理特征的实验结果分析. 计算机应用, 2009, 29(4): 1018-1021.
|
doi: 10.3724/SP.J.1087.2009.01018 |
|
[44] |
王璨, 李志伟. 利用融合高度与单目图像特征的支持向量机模型识别杂草. 农业工程学报, 2016, 32(15): 165-174.
|
|
[1] | 温媛媛, 李妍, 李建国, 王美美, 于长辉, 沈宜钊, 高艳霞, 李秋凤, 曹玉凤. 马铃薯条加工副产品与稻草混贮对奶公牛育肥性能和血液生化指标的影响[J]. 中国农业科学, 2023, 56(9): 1800-1812. |
[2] | 冶楠, 朱艳, 赵元寿, 朱建宁, 门佳伟, 陈富, 孔德媛, 张卫兵, 宗元元, 李永才. 壳寡糖浸种对马铃薯微型薯芽生长和内源激素含量的影响[J]. 中国农业科学, 2023, 56(4): 788-800. |
[3] | 高晨凯, 刘水苗, 李煜铭, 吴鹏年, 王艳丽, 刘长硕, 乔毅博, 关小康, 王同朝, 温鹏飞. 基于综合指标协同优化的冬小麦植株水分含量预测[J]. 中国农业科学, 2023, 56(22): 4403-4416. |
[4] | 樊自尧, 李奎, 李家洋, 黄三文. “稻薯猪”生态循环农业的设想[J]. 中国农业科学, 2023, 56(20): 4067-4071. |
[5] | 张志良, 和志豪, 茹晓雅, 蒋腾聪, 何英彬, 冯浩, 于强, 何建强. 未来气候变化对中国马铃薯种植气候适宜性的影响[J]. 中国农业科学, 2023, 56(18): 3530-3542. |
[6] | 孔乐辉, 宗德乾, 史青尧, 殷盼盼, 巫文玉, 田鹏, 单卫星, 强晓玉. 马铃薯StCYP83基因家族鉴定及其抗晚疫病的功能分析[J]. 中国农业科学, 2023, 56(16): 3124-3139. |
[7] | 徐菊祯, 张梦璐, 何文清, 隋鹏, 陈源泉, 崔吉晓. 中国马铃薯地膜覆盖增产效应及其影响因素的Meta分析[J]. 中国农业科学, 2023, 56(15): 2895-2906. |
[8] | 杜静雅, 陈凯园, 普金, 周会英, 祝光涛, 张春芝, 杜慧. 高效GFPuv荧光筛选基因编辑载体的改造及其在马铃薯遗传转化中的应用[J]. 中国农业科学, 2023, 56(11): 2223-2236. |
[9] | 彭雪,高月霞,张琳煊,高志强,任亚梅. 高能电子束辐照对马铃薯贮藏品质及芽眼细胞超微结构的影响[J]. 中国农业科学, 2022, 55(7): 1423-1432. |
[10] | 李晓川,王朝海,周平,马维,吴瑞,宋治豪,梅艳. 马铃薯品种(系)田间晚疫病抗性评价和全基因组遗传多样性分析[J]. 中国农业科学, 2022, 55(18): 3484-3500. |
[11] | 路粉,孟润杰,吴杰,赵建江,李洋,毕秋艳,韩秀英,李敬华,王文桥. 马铃薯晚疫病菌对霜脲氰抗性动态监测及药效验证[J]. 中国农业科学, 2022, 55(18): 3556-3564. |
[12] | 张晓萍,撒世娟,伍涵宇,乔丽媛,郑蕊,姚新灵. 马铃薯叶片气孔的开张与关闭同步伴随果胶的降解与合成[J]. 中国农业科学, 2022, 55(17): 3278-3288. |
[13] | 李文丽, 袁剑龙, 段惠敏, 蒋彤晖, 刘玲玲, 张峰. 马铃薯块茎质地品质的综合评价[J]. 中国农业科学, 2022, 55(12): 2278-2293. |
[14] | 梁雨欣,吴建祥,李小宇,张春雨,侯吉超,周雪平,王永志. 马铃薯Y病毒衣壳蛋白抗原表位分析及其快速ELISA检测方法的建立[J]. 中国农业科学, 2021, 54(6): 1154-1162. |
[15] | 郑海霞,高玉林,张方梅,杨超霞,蒋健,朱勋,张云慧,李祥瑞. 马铃薯甲虫热激蛋白基因Ld-hsp70的克隆及温度胁迫下的表达特性[J]. 中国农业科学, 2021, 54(6): 1163-1175. |
|