CN1011377B - 用于分割植物材料的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种用光学手段检测植物材料结构并进行分割的方法和装置，用摄象机对植物材料扫描，其图象信号以二维象素列阵的方式显示出植物材料的双色调图象。通过系统地确定阵列中赋予每个象素的色调来进行图象信号的处理，并且把显示象素的植物坐标记录在数据库中，形成该植物材料的坐标图。所选定的植物特征能够被识别出来，与这些特征相对应的坐标被用于确定分割部位。微电子计算机根据定好的程序驱动切割机切出选定数量的植物材料。

Description

本发明涉及对植物微繁殖技术的改进，更详细地说，它是一种分割植物材料的方法和装置。

植物微繁殖的好处是众所周知的：

1.它提供了一种控制植物病害，从而改进植物品质的既方便而又有效的方法。而免除病害，这一点正在成为象对中东这类有前途的出口市场所施加的在检疫要求方面的日益重要的标志。

2.植物的微繁殖，它能提供一种快速增殖的方法。除了作为达到数量显著增加的手段这一普遍性意义之外，它还给人们带来其它一些特殊的好处。对于新品种的商品化数量的生产，可以通过手工操作的微繁殖，大约只需化费以传统方法所需时间的 一半就能达到。甚至对于象藤本植物这样很容易靠切条进行繁殖的物种来说，能为快速地增加大批新品种提供方便，也是非常重要的。

3.微繁殖技术，它使得更加多产地利用空间成为可能。植物的再培养有助于取得对于实验室空间令人满意的高利用率。也促使人们更好地利用暖房以及植物“适应性锻练”的空间。在季节性供应的市场上，尽管数需增加，但由于品种的快速繁殖，就不必在库房中长期留有空闲的场地。在温度、光照周期以及养分平衡受到控制的条件下，可在一年中的任何时间持续进行操作。培养储藏，或者将温度降低，都可用来减缓植物的生长速率，以便适应季节性需要而提供时间上适应的高产量。

将微繁殖技术应用于物种改良上需要识别植物材料、培养基以及培育条件三者之间的相互关系。已设计成功的标准化的微繁殖作业步骤所适用的物种范围正在随着商品化应用上的潜在领域的不断增长而迅速地增大。涉足微繁殖工作的澳大利亚人以及别的一些外国苗木培养者的人数在最近六年内已经大大增加了。已经采纳的主要途径有两条：首先是将实验室与现存的苗圃一体化，随后是将此苗圃大大地扩充;也可以只建立实验室，而将培养中的植物销售给其它苗圃。虽然开始较缓慢，但之后对于微繁殖植物的苗圃和种植者的需求就在迅速地增加。

通过器官培养进行微繁殖的操作顺序可简述如下：

1.初始培养。从精选的植物上取下嫩枝，进行表面消毒，尔后放到灭菌的培养基中。

2.这些嫩枝上的芽会继续生长，于是将其再培养在嫩枝的增殖培养基（SM）中。

3.嫩枝迅速地在嫩枝增殖培养基中生长，提供大量的无性系嫩枝。为了增加嫩枝的数量并维持品系不变，每隔3至4周嫩枝要再培养在新鲜的嫩枝增殖基中。

4.当嫩枝的样品再培养在皮氏培养皿或类似的容器中的生根培养基（RM）时，根部得到发育。

植物通常是在叠层容器中进行装运的。植物接受者在未灭过菌的情况下将植物从容器中移出，并在湿度很高的环境中针对外在条件进行“适应性锻炼”。

再培养通常是在移植室内进行的。在移植室内，使用消过毒的镊子将嫩枝从容器中移出，使用消过毒的解剖刀将它们分割，通常都是非常粗略地分割成一簇簇小嫩枝或单一嫩枝，然后放到新鲜的培养基中。分割出的不包含足够完整的分生细胞的切块将会生长缓慢或完全不生长。几乎不包含或不包含完全的分化细胞的植物将不会再生成的“典型的”或无性系的植物。

在这种作业过程中，最大的代价是将嫩枝从一种培养基再培养到另一种培养基中所化费的劳动。再培养的费用至少为所有其它作业过程所需费用的三倍。其理由可以用乔木的再培养进行说明。对技术人员来说，每天完成5，000次移种操作，在这里都是非常高的指标。不论这些操作是在宏观还是在微观范围内进行都受到相同的生产率的制约。除此之外，在许多实验室中，无菌状态的控制是不完善的，以至于污染损耗就可能非常之大。植物容器的净化、配备、控制和在切条储存与适应性锻练地方之间的转移以及将其移种到适应性锻练基中，这些操作都是消耗劳动力的。

因而，目前澳大利亚的和国外的苗木培养工业满足对于微繁殖植物的需求的能力受到在微繁殖过程中使用手工切条过程的花费，以及甚至由最熟练的操作人员在没有不利影响的情况下才能完成的每天最大操作数量的极大限制。

所以，本发明的目的在于提供一种分割植物材料的方法和装置。它将克服以上不利因素，或者至少使这种不利状况得到改善。

因此，在一个方面，本发明包括一种根据植物材料的结构规律，对具有能用光学手段检测其结构的植物材料进行分割的方法，该方法的步骤是：对植物材料进行扫描，以便产生出代表上述植物结构的图象信号;根据上述植物结构规律，从图象信号中确定植物材料的分割部位，并且产生一个指示上述分割部位的分割信号。

作为一种最佳选择，本方法进一步包括的步骤是：对图象信号进行处理，以便显示上述植物结构的坐标图;对与上述结构的选定特征相对应的坐标进行识别，并从对应于选定特征的上述坐标中确定出上述分割部位。

图象信号是以二维象素列阵的方式显示植物材料的双色调图象，同时赋予每个象素背景色调或者植物色调。通过系统性地确定阵列中赋予每个象素 的色调，并且记录植物色调的坐标以便形成坐标图来进行图象信号的处理。同选定特征例如枝梢和枝节相对应的坐标，是靠确定早先检定过的那些邻近象素是显示背景还是植物来进行鉴别的。

根据以上提出的方法，系统地确定赋予每个图象的色调是在两个不同方向的每一方向上按顺序进行的，而且对由每个方向上识别出来的选定特征的坐标进行平均。用这样的方法，可以考查出枝梢，否则因为枝偏离了象素被扫描的方向而可能难以识别。

在优选的方法中，当枝是由最低为20个象素构成时，枝梢就能被识别出来。这样就能防止把极小的一簇枝梢或者一小块不相关的物质识别成一个枝梢，从而在大多数被子植物的情况下，保证从植物上相继地将每一切块分割成兼有分生细胞和完全的分化细胞。

另一方面，本发明包括一种根据植物材料的结构特征，对具有能用光学手段检测其结构的植物材料进行分割的装置，该装置包括：用于对植物材料进行扫描，并能产生出代表植物结构信号的图象信号发生器;根据上述结构规律从图象信号中确定分割部位，并且产生出指示上述分割部位的分割信号的信号处理设备;以及对在上述部位上的分割植物材料的上述分割信号产生响应的切割设备。

作为一种最佳选择，该信号处理设备能从上述图象信号中显示植物结构的坐标图，并能识别出与植物结构的选定特征相对应的坐标。

在最佳实施方案中，这种图象信号是由电荷耦合器件产生的，该电荷耦合器件是与带微电子计算机的信号处理设备相接口的。

所述的切割设备，最好是一种装在植物材料上方的可移动的自动装置托架上、可选择性地进行操作的切割刀。这种切割刀可为圆形，以便在每次开动时能够切出选定数量的植物材料。

现在，对本发明的一种实施方案仅通过举例的方式参照附图加以描述。其中：

图1，表示本发明所述装置的透视图;

图2，表示使用图1所示装置中的向下扫描程序的流程图;

图3，表示构成图2所示流程的一部分的象素处理程序的流程图。

参阅图1，本发明所述的装置包括一台构成图象信号发生器的电荷耦合器件摄象机11。此电荷耦合器件摄象机11是一台带有RS170标准型视频接口的Thomson-CSF电荷耦合器件摄象机。电荷耦合器件摄象机11经过Chorus数据系统系列1000的视频拍摄板（Video    capture    board）15与Olivetti    M24微型计算机16相连。代表放在连续传送带13上的植物12结构的，经电荷耦合器件摄象机11扫描得到的信号能为视频拍摄板15所俘获，并且在输入到微型计算机16的主存储器之前，该信号就被数字化了。将植物对照对比色的背景进行扫描，而电荷耦合器件摄象机11对植物12的扫描是由微型计算机16控制的。于是，启动电荷耦合器件摄象机11就给出植物12的单一图象。

存储在微型计算机16中的数字化信号所代表的是按二维象素列阵（水平方向为640个象素，垂直方向为400个象素）的植物的双色调图象。赋予每个象素的色调，使它们要么路背景对应，要么跟植物对应。数字化的图象信号是通过系统性地确定阵列中赋予每个象素的色调并将植物色调的坐标记录在数据库中以构成坐标图来处理的。

此外，与植物的枝梢和枝节（枝的相交处）对应的坐标能够被识别，并存入数据库。阵列中每个象素的系统性处理要进行两次，一次是使用向下的扫描程序，一次是使用向上的扫描程序。向下扫描程序和向上扫描程序是在不同的方向上依次对象素进行处理。而且，对由每一扫描程序得到的与枝梢和枝节相对应的坐标进行平均。

图2表示向下扫描程序的流程图，图象的处理是从左上角开始，一个象素挨着一个象素地进行，一行挨着一行地由上向下进行处理。向上扫描程序（图中未表示）实际上是完全相同的，只不过每个象素的处理是一行挨着一行地由下向上进行的。

图3是象素处理程序的流程图，该程序是向下扫描程序的子程序。在此象素处理程序中，第一步是对向上倾斜的枝进行反向扫描，之所以这样要求是因为，在象素处理程序中所用的相同枝的识别技术是基于确定：由被处理的象素的左面的角素、左上方的象素以及直接上方的象素所代表的是背景还是枝。因此，向左上方倾斜的枝，一直到看出直接在被处理的象素上方的象素是代表植物为止，才开始被识别为新枝。一经这样确定，实施反向扫描以 便重新标记出直接处于左边的植物象素与已被识别的处于被处理象素直接上方的植物象素是在同一个枝上。

从图3中可以看到，对于熟习该领域的技术人员来说，程序中其余的各步骤是显而易见的。

本发明所述的装置还包括可由微型计算机16操纵的以切割机械17的形式出现的切割设备，利用该切割设备在确定要切割的部位对植物12进行切割。此切割机械17有一把圆形截面的管状切割刀18，它安装在往复式电磁线圈19上。移动切割刀18对植物12进行切割是在微型计算机16的控制下靠电磁线圈19的选择性驱动而进行的。电磁线圈19装在框架20上，以便能由两台步进电机21驱动使它在植物12的上方移动。步进电机21是由指示切割部位的两个维度信号单独操作的，而这些维度信号是由微型计算机16产生的，每次都让电磁线圈19在两个互相垂直的方向上运动。这样一来，切割刀18就可在由框架20的行程所限定的切割平面内运动到任何位置。切割刀18在每一瞬间的位置是由微型计算机16通过输给步进电机21的激励脉冲的存储的数目和方向确定的。传感器22是用来对计算出来的切刀位置和实际的切刀位置作周期性校正用的。

在切割机械17底下植物12的对准可借助连续传送带13上的参考孔14来进行，而植物12就放在此传送带13上。

由微型计算机16确定的切割部位，乃是枝节的中心，而且是一个距离枝梢为4毫米的点。切刀的直径为5毫米，并位于上述切割部位的中心，以便每次动作时切割出选定数量的植物材料。在大多数被子植物的情况下，这样可以确保被分割的植物含有足够的分生细胞和分化细胞，以保证单体无性系繁殖。

Claims (17)

1、一种根据植物材料的结构规律，对具有能用光学手段检测其结构的植物材料进行分割的方法，其特征在于，所述方法的步骤是：对植物材料进行扫描，以便产生出代表上述植物结构的图象信号；根据上述植物结构规律从图象信号中确定植物材料的分割部位，并产生一个指示上述分割部位的分割信号。

2、如权利要求1所述的方法，其特征在于，本方法还进一步包括的步骤是：对图象信号进行处理，以便显示上述植物结构的坐标图;对与上述结构的选定特征相对应的坐标进行识别，并从对应于选定特征的上述坐标中确定出上述分割部分。

3、如权利要求2所述的方法，其特征在于，上述图象信号是以二维象素列阵的方式显示植物材料的双色调图象，同时赋予每个象素背景色调或者植物色调。

4、如权利要求3所述的方法，其特征在于，图象信号是通过系统性地确定上述阵列中赋予每个象素的色调并且记录植物色调的坐标以便形成上述坐标图进行处理的。

5、如权利要求4所述的方法，其特征在于，与上述结构的选定特征相对应的坐标，是通过确定早先检定过的那些邻近象素是显示背景还是植物来进行识别的。

6、如权利要求5所述的方法，其特征在于，系统地确定赋予每个象素的色调是在两个不同方向的每一方向上按顺序进行的，而且对由每个方向上识别出来的上述所选定特征的坐标进行平均。

7、如权利要求2至5中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，上述结构特征是指植物材料的枝梢和枝节（枝的连接处）。

8、如权利要求7所述的方法，其特征在于，上述植物材料的枝是由选定的最低为20个象素构成，以便使枝梢能被识别。

9、如权利要求7所述的方法，其特征在于，上述分割部位是枝节的中心，而且是一个距离枝梢为4mm的点。

10、一种根据植物材料的结构特征，对具有能用光学手段检测其结构的植物材料进行分割的装置，其特征在于，所述装置包括：用于对植物材料进行扫描，并能产生出代表植物结构信号的图象信号发生器;根据上述结构规律从图象信号中确定分割部位，并且产生出指示上述分割部位的分割信号的处理设备;以及对在上述部位上的分割植物材料的上述分割信号产生响应的切割设备。

11、如权利要求10所述的装置，其特征在于，上述信号处理设备是能依据上述图象信号显示植物结构的坐标图，并能识别出与选定的结构特征相对应的坐标，从而确定分割部位的处理设备。

12、如权利要求11所述的装置，其特征在于，上述信号处理设备还包括一个数据库，用来存储上述坐标图以及与选定特征相对应的上述坐标。

13、如权利要求10至12中任一项权利要求所述的装置，其特征在于，上述的图象信号是由电荷耦合器件产生的。

14、如权利要求13所述的装置，其特征在于，上述电荷耦合器件是与带微型电子计算机的信号处理设备相接口的。

15、如权利要求10至12中任一项权利要求所述的装置，其特征在于，该植物材料是对照对比色的背景进行扫描的。

16、如权利要求10至12中任一项权利要求所述的装置，其特征在于，上述切割设备包括一个可供选择性操作的切割刀，切割刀安装成能在植物材料上方移动。

17、如权利要求16所述的装置，其特征在于，切割刀为圆形，以便在每次开动时能够切出选定数量的植物材料。

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