Способ рентгенографического определения стекловидности и мучнистости семян пшеницы Российский патент 2024 года по МПК A01C1/02 A01G7/00 

Изобретение относится к области контроля параметров семян пшеницы и может быть использовано на предприятиях по ее хранению и переработки.

Известен способ контроля семян по рентгенограммам, основанный на глазомерной оценке эндосперма семян, что не позволяет делать правильную оценку, так как основным показателем классификации семян по рентгеновским снимкам служат относительная величина зародыша и степень заполнения эндоспермом объема семени, определяемым глазомерно.

Известен рентгенографический способ контроля семян (А.С. №374046), в соответствии с которым информацию о качестве зерна получают путем измерения диффузной оптической плотности изображения зерна на рентгенограмме. Но такой контроль имеет ограниченные возможности. Он позволяет определить заполненность оболочки эндоспермом, размер зародыша, механическое повреждение семени, но такой показатель как стекловидность не может быть определен в рамках этого способа.

Известен рентгенографический способ оценки качества семян (А.С. №1667667), который реализуется следующим образом. Берут пробу семян, каждому семени присваивается номер, взвешивают на аналитических весах, на рентгеноскопической установке получают их рентгенограммы и измеряют длину, ширину, площадь и периметры изображений. Сравнение семян проводят по следующим показателям: масса семян, площадь рентгенопрозрачной части семян, длину, ширину семян, периметр непрозрачной части, а затем рассчитывают отношение квадрата периметра к площади, умноженной на 4π. Таким образом получают диапазон значений числового коэффициента, который характеризует качество исследуемых семян.

Недостатком рассматриваемого способа является отсутствие отдельного учета показателя ослабления рентгеновского излучения оболочкой и внутренней частью семени. При этом показатели стекловидности и мучнистости являются характеристикой внутренней, менее плотной части.

Показатель ослабления внутренней частью зерна - это основной параметр для оценки стекловидности, что доказано следующим экспериментом: был подготовлен набор стекловидных и мучнистых семян, каждое семя было разрезано поперек в двух местах с интервалов 3 мм. Таким образом, были получены образцы семени одинаковой толщины без оболочки. Далее были получены рентгеновские изображения каждой такой пластины. В ходе анализа была выявлена связь средней яркости изображения с показателями стекловидности и мучнистости, которые напрямую связаны с его показателями ослабления. Исходя из этого был сделан вывод о связи стекловидности и мучнистости с показателями ослабления внутренней частью зерна. Это можно объяснить тем, что мучнистый эндосперм содержит микропустоты, вследствие чего фактическая толщина слоя поглощающего эндосперма для стекловидного семени больше, чем мучнистого.

Известен рентгенографический способ определения стекловидности и мучнистости семян пшеницы, включающий отбор контрольной пробы семян, облучение последовательно каждого семени пучком рентгеновского излучения, получение рентгенограммы семени и определение качества семени (Neethirajan Set al. Classification of vitreousness in durum wheat using soft X-rays and transmitted light mages// Computers and Electronics in Agriculture, Vol. 53, 2006, p. 71-78).

Задачей, решаемой изобретением, является создание способа определения стекловидности и мучнистости семян пшеницы на базе вычислительной техники.

Поставленная задача решается за счет того, что, как и в известном способе, проводят отбор контрольной пробы семян, облучают последовательно каждое семя пучком рентгеновского излучения и получают рентгенограммы семян. Но, в отличие от известного способа, дополнительно используют эталонные стекловидные и мучнистые семена, которые сравнивают по величине показателя ослабления внутренней части семени k, получают рентгенограммы семян эталонной пробы и для каждого семени выполняют следующие операции: получают цифровое изображение рентгенограммы, принимают за интенсивность рентгеновского излучения яркость пикселя позитивного рентгеновского изображения, измеряют начальный поток излучения как среднюю яркость пикселей изображения, не принадлежащих семени, разворачивают изображение длинной стороной вертикально, создают геометрическую модель поперечного сечения семени, образованную кривыми второго порядка, описывающую прохождение рентгеновских лучей, для каждого горизонтального ряда пикселей изображения, вычисляют ширину семени, как количество пикселей ряда, для каждого пикселя горизонтального ряда определяют ослабление интенсивности рентгеновского излучения при его последовательном прохождении оболочки, внутренней части, оболочки, оценивают толщину оболочки, вычисляют показатель ослабления внутренней части семени k, решая общую систему уравнений, включающую все уравнения каждого ряда для всех горизонтальных рядов пикселей внутренней части семени и по результатам сравнения показателей ослабления сигнала, полученного для каждого семени контрольной пробы и диапазона показателей ослабления сигнала в эталонных семенах, относят семена к стекловидным при k в интервале от 0,0085 до 0,0089 или к мучнистым при k в интервале 0,0061 до 0,0066.

Достигаемым техническим результатом является увеличение объективности контроля за счет уменьшение влияния оболочки семени на показатель, характеризующий качество зерна.

Изобретение поясняется чертежом, где на фиг. 1 приведена рентгенооптическая схема сьемки, а на фиг.2 показана геометрическая модель изображения зерна на рентгенограмме. Модель образована кривыми второго порядка радиуса R, где R - четверть ширины зерна. Схема рентгеновского облучения состоит из источника рентгеновского излучения, которое проходит через объект исследования - семя 2, показанное в разрезе, на котором выделена оболочка 3 и внутренняя часть 4. Пучок рентгеновского излучения 5 попадает на приемник излучения 6.

Способ рентгенографического определения стекловидности и мучнистости семян реализуется следующим образом: отбирают контрольную пробу семян и несколько эталонных семян, т.е. семян, стекловидность и мучнистых которых была определена стандартным способом по ГОСТу 10987. В нашем эксперименте контрольная группа состояла из 50 семян, 5 эталонных мучнистых и 5 эталонных стекловидных. Последовательно на каждое семя направлялось рентгеновское излучение и получали его рентгенограмму,

Известно, что интенсивность рентгеновских лучей экспоненциально убывает в зависимости от пройденного пути в поглощающем слое I = I₀e^-kd, где d - толщина слоя, k - коэффициент, пропорциональный Z³λ³, Z - атомный номер элемента, λ - длина волны, т.е. k - коэффициент ослабления интенсивности рентгеновских лучей, который характеризует свойства контролируемого материала.

Для выполнения анализа рентгенограммы ее оцифровывают - передают изображение на цифровую камеру. За интенсивность рентгеновского излучения принимают яркость пикселя позитивного рентгеновского изображения. Измеряют начальный поток излучения, как среднюю яркость пикселей изображения, не принадлежащих семени.

Семя состоит из плотной наружной части и менее плотной внутренней. Плотная часть представляет собой оболочку и верхний слой эндосперма. При этом показатель стекловидности является характеристикой внутренней (менее плотной) части семени. При получении рентгенограммы семени излучение последовательно проходит через три среды (оболочка - внутренняя часть - оболочка). Интенсивность прошедшего излучения описывается следующим образом.

,

где толщина оболочки, показатель ослабления оболочки, показатель ослабления внутренней части, толщина внутренней части.

Таким образом, задача сводится к определению показателя ослабления внутренней части, который характеризует либо стекловидность либо мучнистость.

Сложная форма семени не позволяет напрямую получить ослабление сигнала для конкретной толщины материала. Поэтому разворачивают изображение семени длинной стороной вертикально и строят модель поперечного сечения семени пшеницы на основе кривых второго порядка с радиусом R. Условимся считать часть семени с бороздкой нижней, а противоположную - верхней. Тогда верхняя часть описывается уравнением

нижняя -

При прохождении рентгеновского излучения перпендикулярно оси X длина пути в верхней оболочке описывается уравнением

в нижней

где - толщина оболочки.

Тогда длина пути во внутренней части находится как

Тогда можно записать выражение интенсивности прошедшего рентгеновского излучения следующим образом.

Для дальнейших расчетов удобно преобразовать выражение к виду

Уравнения строятся для пикселей семени, начиная с первого и заканчивая 1,5R, где R - четверть ширины семени. Затем строится общая система уравнений, включающая все уравнения каждого ряда для всех горизонтальных рядов пикселей. Решая общую систему уравнений, вычисляется показатель ослабления внутренней части семени к, который характеризует стекловидность.

В эксперименте по определению стекловидности партии из 50 семян были использованы эталонные стекловидные (5 семян), и 5 эталонных мучнистых семян, которые сравнивались по величине показателя ослабления внутренней части . Для автоматизации приведенных действий была создана программа, написанная на языке python с использованием библиотек opencv, numpy, skipy.

Было установлено: у пяти эталонных стекловидных семян величина коэффициента k находится в диапазоне 0,0081 - 0,0092 пикселей^-1, а у пяти эталонных мучнистых семян в диапазоне 0.0059 - 0,0067 пикселей^-1.

Далее исследовалась партия в количестве 50 семян. Из них 6 семян были отнесены к стекловидным (к в интервале от 0,0085 до 0,0089), 42 к мучнистым (k в интервале от 0,0061 до 0,0066). У одного обнаружена трещина, а одно было пустотелым.

Предложенный способ определения стекловидности семян выполнен на базе вычислительной техники, что позволило минимизировать влияние оболочки семени на показатель, характеризующий качество зерна, и за счет этого повысить объективность контроля.

Изобретение относится к области сельского хозяйства. Способ включает отбор контрольной пробы семян, облучение последовательно каждого семени пучком рентгеновского излучения, получение рентгенограммы семян. Дополнительно используют эталонные стекловидные и мучнистые семена, которые сравнивают по величине показателя ослабления внутренней части семени k, получают рентгенограммы семян эталонной пробы и для каждого семени выполняют следующие операции: получают цифровое изображение рентгенограммы, принимают за интенсивность рентгеновского излучения яркость пикселя позитивного рентгеновского изображения, измеряют начальный поток излучения как среднюю яркость пикселей изображения, не принадлежащих семени, разворачивают изображение длинной стороной вертикально, создают геометрическую модель поперечного сечения семени, образованную кривыми второго порядка, описывающую прохождение рентгеновских лучей, для каждого горизонтального ряда пикселей изображения, вычисляют ширину семени, как количество пикселей ряда, для каждого пикселя горизонтального ряда определяют ослабление интенсивности рентгеновского излучения при его последовательном прохождении оболочки, внутренней части, оболочки. Оценивают толщину оболочки, вычисляют показатель ослабления внутренней части семени k, решая общую систему уравнений, включающую все уравнения каждого ряда для всех горизонтальных рядов пикселей внутренней части семени и по результатам сравнения показателей ослабления сигнала, полученного для каждого семени контрольной пробы и диапазона показателей ослабления сигнала в эталонных семенах, относят семена к стекловидным при k в интервале от 0,0085 до 0,0089 или к мучнистым при k в интервале 0,0061 до 0,0066. Способ обеспечивает увеличение объективности контроля за счет уменьшения влияния оболочки семени на показатель, характеризующий качество зерна. 2 ил.

Способ рентгенографического определения стекловидности и мучнистости семян пшеницы, включающий отбор контрольной пробы семян, облучение последовательно каждого семени пучком рентгеновского излучения, получение рентгенограммы семян, отличающийся тем, что дополнительно используют эталонные стекловидные и мучнистые семена, которые сравнивают по величине показателя ослабления внутренней части семени k, получают рентгенограммы семян эталонной пробы и для каждого семени выполняют следующие операции: получают цифровое изображение рентгенограммы, принимают за интенсивность рентгеновского излучения яркость пикселя позитивного рентгеновского изображения, измеряют начальный поток излучения как среднюю яркость пикселей изображения, не принадлежащих семени, разворачивают изображение длинной стороной вертикально, создают геометрическую модель поперечного сечения семени, образованную кривыми второго порядка, описывающую прохождение рентгеновских лучей, для каждого горизонтального ряда пикселей изображения, вычисляют ширину семени, как количество пикселей ряда, для каждого пикселя горизонтального ряда определяют ослабление интенсивности рентгеновского излучения при его последовательном прохождении оболочки, внутренней части, оболочки, оценивают толщину оболочки, вычисляют показатель ослабления внутренней части семени k, решая общую систему уравнений, включающую все уравнения каждого ряда для всех горизонтальных рядов пикселей внутренней части семени и по результатам сравнения показателей ослабления сигнала, полученного для каждого семени контрольной пробы и диапазона показателей ослабления сигнала в эталонных семенах, относят семена к стекловидным при k в интервале от 0,0085 до 0,0089 или к мучнистым при k в интервале 0,0061 до 0,0066.