柑橘成熟度机器视觉无损检测方法研究

水果内部品质无损检测技术是确定水果最佳采收期和按成熟度进行准确分级的关键。本研究以表面色泽与固酸比为柑橘成熟度指标，建立了用于柑橘成熟度检测的机器视觉系统，确定了适宜的背景颜色，进行了柑橘的分光反射试验，发现绿色柑橘表面与桔黄色表面的反射率在700 nm时反射率相差最大，约达53%，且各自的反射率都较大，700 nm是获得高质量的柑橘图像的较佳中心波长。建立了利用协方差矩阵和样本属于桔黄色和绿色的概率来判断柑橘成熟度的判别分析法，并以实测的固酸比值作为对照，对72枚柑橘样本进行了试验，柑橘成熟度的判别准确率达到91.67%。这表明柑橘果实的表皮颜色与成熟度之间具有相关性。     

采摘期成熟棉花不同部位颜色识别分析

为正确识别自然环境中处于采摘期的成熟棉花，确定其在三维空间中的准确位置，从而为机械手运动提供参数完成棉桃的自动采摘，研究了基于色差信息的棉花识别方法。对200幅自然环境下拍摄的图像在不同的颜色模型下，分析了棉花不同部分颜色的特征，利用成熟期棉桃表面颜色特征与棉叶、棉枝颜色特征的差异，建立了利用色差信息进行识别的视觉模型，将成熟棉桃从背景中识别出来。试验结果表明，该方法具有对棉花进行识别的良好性能，而且不需要模型转化，提高了识别效率。     

弱光复杂背景下基于MSER和HCA的树上绿色柑橘检测

基于图像处理和机器视觉的树上绿色柑橘检测,能为果园管理者施肥、估产及采摘作业提供指导.该文提出一种基于水果表面光照分布的分层轮廓分析(hierarchical Contour Analysis,HCA)算法实现了树上绿色柑橘的检测.彩色数码相机拍摄弱光下由闪光灯补光的树上柑橘场景彩色图像,基于水果表面的光照分布应用最大稳定极值区域(maximally stable extremal region,MSER)算法提取图像中的感兴趣区域,然后建立感兴趣区域周围的分层轮廓图,并利用霍夫变换拟合每一级轮廓获得分层圆形目标,最后进行拟合圆嵌套分析得到绿色柑橘水果目标.所提算法在20张复杂的柑橘果园场景图像中进行了测试,最终的召回率达81.2%,查准率达到83.5%,单幅图像平均处理时间为3.70 s.该文所提出的基于光照分布的分层轮廓分析算法,不仅适用于绿色柑橘的检测,也可为其他树上绿色水果检测提供通用的框架和思路.     

基于Retinex图像增强的不同光照条件下的成熟荔枝识别

为了满足自然环境下荔枝采摘机器人视觉定位系统的有效性和实时性的要求,针对不同光照条件的荔枝彩色图像,采用基于双边滤波的Retinex图像增强算法凸显图像中的荔枝果实和果梗,对增强处理后的图像在HSI颜色空间中进行H分量旋转的处理,再对旋转处理后的H分量进行Otsu自动阈值分割去除荔枝图像果实和果梗外的复杂背景;然后通过将双三次插值算法和传统的模糊C均值（FuzzyC-Mean）算法融合,对去背景后的荔枝图像在YCbCr颜色空间中进行Cr分量模糊聚类分割,实现荔枝果实和果梗的识别。荔枝图像的分割试验结果表明：该算法对晴天顺光、逆光、遮阴、阴天顺光等光照条件的荔枝图像能够有效地分割,对阴天弱光照、果实被遮阴条件下的荔枝也能较好的识别,并保持荔枝果实和果梗区域的完整性,4种光照条件荔枝图像分割正确率分别为96%、90%、89.3%和88.9%,成熟荔枝识别的正确率达到了90.9%,该研究为水果采摘机器人的室外作业的实时性和有效性提供指导。     

基于朴素贝叶斯分类器的棉花盲椿象危害等级识别

针对自然条件下棉花盲椿象危害区域提取和危害等级识别难的问题,提出了棉花盲椿象危害等级自动识别方法。该方法以自然条件下采集的不同盲椿象危害等级棉叶图像为对象,利用最大类间方差阈值分割和多颜色分量组合方法进行作物与土壤分离和病斑分割,并利用分水岭分割方法对粘连棉叶进行分离并提取盲椿象危害棉叶区域,提取图像的颜色、纹理和形状特征,结合朴素贝叶斯分类器,依据划分的棉花盲椿象危害等级标准,对盲椿象危害等级进行识别。不同盲椿象危害等级识别试验结果表明:该模型平均识别正确率达90.0%,通过比较试验表明,该模型在识别精度比BP神经网络高2.5%,运行速度比支持向量机高11.7%,可较好的对棉花盲椿象危害等级进行识别,可为棉花盲椿象的防治提供技术支持。     

基于照度-反射模型的在线水果表面缺陷检测

水果表面缺陷是影响水果价格最有力的因素之一,目前大部分研究基于静态图像采用较复杂的算法分割水果表面缺陷,因此很难满足在线水果缺陷的快速检测。本文介绍了一种在线水果表面亮度均一化校正及单阈值缺陷分割方法。首先,通过RGB颜色空间转换获取HIS空间图像的色调（H）分量,基于H分量建立掩模对RGB图像的R分量执行掩模去背景;然后,基于照度-反射模型,利用低通滤波获取R分量图像的亮度分量,利用此亮度分量对去背景后的R分量图像进行亮度均一化校正;最后,利用一个简单的阈值对亮度校正后的图像进行缺陷分割。利用此算法,对416幅图像的检测结果表明总体检测率超过99%。该方法简单、有效,在在线水果缺陷检测中具有较大的应用潜力。     

基于颜色分量与直方图的玉米苗期背景分割方法研究

对土壤背景进行有效分割是玉米苗期田间杂草识别的前提和基础。本研究利用颜色分量G-R和G-B与灰度直方图来实现玉米苗期图像与背景图像的分割,解决了玉米苗期田间杂草识别中受影响及环境适应性差等问题。通过对不同环境下苗期玉米图像的植被颜色和背景颜色分量的统计分析表明,采用G-R和G-B双阈值颜色特征分割,进行土壤背景分离取得了很好的效果。     

基于探索性分析的的荔枝果及结果母枝颜色特征分析与识别

从复杂背景中识别成熟荔枝串中的荔枝果及结果母枝,获取结果母枝上的采摘点是机器人视觉定位与识别的难点,荔枝果、结果母枝与叶子各部位图像颜色特征分析与识别成为研究重点。首先针对荔枝果与结果母枝的特点、光照与环境的特殊性及不确定性,提出了探索性分析与荔枝图像识别的融合方法,对荔枝果与结果母枝进行了图像分类与统计的探索性分析,并给出了荔枝图像数据的探索性分析流程图;其次,根据荔枝不同部位颜色均值分布的特点,设计了荔枝果、结果母枝及叶子在6种色彩模型下的颜色均值分布箱线图,通过图形启示的数据分析与探索,给出了基于YCbCr色彩空间的Cr单通道图的荔枝各部位分类识别的视觉模型,分析表明Cr分量值在0.5～0.54能去除叶子和侧枝等复杂背景,实现荔枝串中的荔枝果与结果母枝的分割。最后,以60组不同光照条件的180幅自然环境下采集的荔枝图像为试验测试对象,用颜色特征的视觉模型结合阈值分割方法有效地识别了成熟荔枝串与荔枝果,荔枝串与荔枝果的平均识别率分别为91.67%和95.00%。用探索性分析与图像运算相结合的方法成功地提取了结果母枝(识别率为86.67%),并用计算出的采摘点进行视觉定位的仿真。试验和仿真结果表明视觉模型及其方法能对荔枝不同部位进行有效识别。     

基于照度-反射模型的脐橙表面缺陷检测

水果表面缺陷是影响水果价格最主要的因素之一,目前大部分研究基于静态图像采用较复杂的算法分割水果表面缺陷。该文介绍了一种基于在线水果图像的表面亮度均一化校正及单阈值缺陷分割方法。首先,通过RGB颜色空间转换获取HIS空间图像的色调（H）分量,基于H分量建立掩模对RGB图像的R分量执行掩模去背景;然后,基于照度-反射模型,利用低通滤波获取R分量图像的亮度分量,利用此亮度分量对去背景后的R分量图像进行亮度校正;最后,利用一个简单的阈值对亮度校正后的图像进行缺陷分割。利用此算法,对416幅图像的检测结果表明总体检测正确率超过99%。该方法简单、有效,在在线水果缺陷检测中具有较大的应用潜力。     

基于改进YOLOv7模型的柑橘表面缺陷在线检测

柑橘表面缺陷是水果检测分级的重要依据,针对传统柑橘表面缺陷检测方法效率低、精度低等问题,该研究提出一种柑橘表面缺陷的实时检测方法。该方法首先对柑橘图像进行图像增强,然后利用提出的YOLOv7-CACT模型对柑橘表面缺陷进行检测,该模型在YOLOv7模型骨干网络中引入坐标注意力模块(coordinate attention, CA),从而提高模型对缺陷部分的关注度。在网络头部引入CT(contextual transformer,CT)模块,融合静态和动态上下文表征特征,从而增强缺陷部分特征表达能力。通过试验确定CA模块和CT模块的最佳位置。改进后的YOLOv7-CACT模型检测结果平均精度均值（mean average precision,mAP）相较于原始模型增加了4.1个百分点,达到91.1%,满足了实际生产中对柑橘缺陷检测精度的要求。最后将基于YOLOv7-CACT的柑橘检测模型通过TensorRT进行部署,试验结果表明模型的推理时间满足柑橘生产线10个/s的实时分选要求,总体的检测精度达到94.4%,为柑橘表面缺陷在线检测提供了一种精准的实时检测方法。     

番茄果实串采摘点位置信息获取与试验

针对番茄收获机器人在采摘过程中果实串采摘点位置难以确定的问题,提出了基于果梗骨架角点计算方法,并利用该算法对番茄果实串果梗采摘点进行位置信息获取:首先采用最大类间方差分割法进行目标果实串分割,通过形态学方法和阈值法去除干扰,提取出目标果实串分割图像;根据果实串的质心和果串的轮廓边界确定果梗的感兴趣区域,采用快速并行细化算法提取果梗的骨架,利用Harris算法检测得到果实串第一个果实分叉点与植株主干之间果梗骨架角点,通过计算获得采摘点位置信息。然后进行验证试验,利用双目视觉图像采集系统采集了60组果实串图像并获取果梗采摘点位置信息,结果表明,采摘点位置成功率为90%,为采摘机器人提供准确的采摘位置信息。     

基于数码相机图像的甜菜冠层氮素营养监测

为探究数码相机监测甜菜冠层叶片氮素的可行性,2014年于内蒙古赤峰市松山区太平地镇采用不同种植方案设计了田间试验。利用数码相机获取甜菜冠层数字图像,基于灰度值的阈值分割方法提取冠层图像的红光值(R)、绿光值(G)和蓝光值(B),交互调优R、G、B单色分量权重,提出三原色权值调优方法,并挖掘出适宜于表征甜菜冠层LNC(leaf nitrogen content)的基础调优参数BOP(basic optimal parameter)和归一化调优参数NOP(normalized optimal parameter)。结果表明:采用常规方法选取的敏感颜色参数G/R、NRI(R/(R+G+B))与冠层LNC的相关系数分别为0.80和0.79,三原色权值调优方法确定的调优参数BOP、NOP与冠层LNC的相关系数分别为0.83和0.84,算法优化后提高了颜色参数与冠层LNC的相关性。对比常规参数和调优参数对冠层LNC的预测精度,结果显示调优参数BOP、NOP建立模型的预测精度均高于常规参数G/R、NRI,BOP预测模型的决定系数R2和均方根误差RMSE(root mean square error)分别为0.69和2.65,NOP预测模型的R2和RMSE分别为0.68和2.73。该研究表明,在大田自然光照条件下,借助数码相机实时、准确监测甜菜氮素营养丰缺水平具有较高的可行性,数字图像处理技术在作物营养无损诊断中存在很大的应用潜力。     

基于果萼图像的猕猴桃果实夜间识别方法

根据猕猴桃的棚架式栽培方式,提出了一种适用于猕猴桃采摘机器人夜间识别的方法。采用竖直向上获取果实图像的拍摄方式,以果萼为参考点,进行果实的识别,并测试该方法对光照的鲁棒性。试验结果表明:基于果萼能够有效的识别猕猴桃果实,成功率达94.3%;未识别和误识别的果实一般出现在5果及5果以上的簇中,原因是果实相互挤压导致的果萼部分不在果实图像的中心区域,以及果实之间的三角区形成暗色封闭区域;光照过小或过大会导致成像模糊或过曝,对正确率有细微影响;识别速度达到了0.5 s/个。因此,基于果萼的猕猴桃果实夜间识别方法在正确识别率和速度上都有很大提升,更接近实际应用。     

自然光照条件下采摘机器人果实识别的表面阴影去除方法

有效的阴影检测和去除算法会大大提高自然环境下果实识别算法的性能,为农业智能化提供技术支持。该研究采用超像素分割的方法,将一张图像分割成多个小区域,在对图像进行超像素分割的基础上,对自然光照下的果园图像阴影区域与非阴影区域进行对比分析,探索8个自定义特征用于阴影检测。然后采用SVM的方法,结合8个自主探索的自定义特征,对图像中每个超像素分割的小区域进行检测,判断每个小区域是否处于阴影中,再使用交叉验证方法进行参数优化。根据Finlayson的二维积分算法策略,对检测的每一个阴影区域进行阴影去除,获得去除阴影后的自然光照图像。最后进行阴影检测的识别准确性试验,试验结果表明,本研究的阴影检测算法的平均识别准确率为83.16%,经过阴影去除后,图像的阴影区域亮度得到了提高,并且整幅图像的亮度更为均匀。该研究可为自然环境下机器人识别果实及其他工农业应用场景提供技术支持。     

采用柑橘叶片功能性氮含量无损监测模型的调控施氮方法

为实现柑橘氮素管理的定量化，该研究以5年生‘春见’橘橙为试验材料，设置不同对照施氮处理N₀、N₁、N₂、N₃(施氮量分别为0、50、100、200 g/株)和调控施氮处理Nr₁、Nr₂、Nr₃(分别根据N₁、N₂、N₃进行调控)，在试验开展的第1年利用高光谱技术，分别建立柑橘果实膨大期和转色期的叶片功能性氮含量无损监测模型；第2年利用叶片功能性氮含量无损监测模型与追氮量公式计算调控施氮处理的实际追氮量，比较分析对照施氮和调控施氮对柑橘果实产量、品质及氮肥利用率的影响。结果表明，利用反向传播神经网络构建的叶片功能性氮含量模型精度较高，决定系数R²为0.78(果实膨大期)和0.77(果实转色期)。调控施氮处理Nr₁和Nr₃比对照施氮N₁和N₃分别增产5.49和4.4...     

水果直径和缺陷面积的机器视觉检测

黄花梨是中国的一种重要水果,果径和果面缺陷面积是黄花梨分级的两项关键指标。通过研究黄花梨的分光反射特性,研制了一套适合黄花梨品质检测的机器视觉系统。为了适应实际生产中水果方向的随机性和水果外形的不规则性的要求,使水果尺寸检测的方法有更好的适应性,设计了一种利用水果的最小外接矩形(MER)法求最大横径的方法,并进行了试验验证,得出了表示实际最大横径与预测最大横径的关系的回归方程式,两者的相关系数为0.9962。分析了黄花梨缺陷区域的R、G、B各分量灰度的变化特点,利用R分量灰度和G分量灰度在缺陷区域和完好区域交界处有明显突变这一特点,采用梯度算法求得了可疑缺陷点,然后再用区域生长法,找出了缺陷点像素的最大连通集及所有的缺陷区域;采用像素点变换法,实现了根据三维物体的二维投影图像恢复物体表面的真实几何面积的设想,大大降低了缺陷面积计算的误差;另外,还提出了一种新的面积修正方法,即用实际缺陷面积等于经像素点变换后的缺陷面积减去缺陷区域周长的一半加上1个像素点的面积来进行修正,进一步提高了缺陷面积计算的精度,而且该修正方法同样适用于其它图像面积的计算     

基于K-means和近邻回归算法的Kinect植株深度图像修复

针对Kinect传感器应用于农业植株检测产生的图像噪声问题,特别是由光线以及传感器自身局限导致的匹配图像目标植株数据的缺失,提出一种基于K-means和近邻回归算法的植株深度检测图像修复方法。首先对Kinect传感器获取的彩色RGB图像进行阈值分割预处理提取植株目标区域,再利用K-means聚类算法去除背景噪声,使得植株目标区域轮廓更加清晰;然后基于配准的彩色图像和深度图像,对获取的深度图像中可疑像素点的深度数据采取近邻回归算法进行修复,再将修复后的深度图像与目标分割后的彩色图像进行植株区域的匹配,并进行二次近邻回归算法修正错误的深度数据,最后获取目标植株深度信息的检测图像。试验结果证明,采用RGB阈值分割和K-means聚类算法植株目标区域分割误差均值为12.33%,比单一RGB阈值分割和K-means聚类分割误差降低了12.12和41.48个百分点;同时结合聚类后的彩色图像对深度数据进行两次近邻回归算法修复深度数据,能够提高深度数据边缘的清晰度,单帧深度数据空洞点进行修复数据的准确度提高。该研究结果可为农业植株检测、植株三维重构、精准对靶喷雾等提供参考。     

基于多光谱图像融合和形态重构的图像分割方法

一些成熟的瓜果果实在单一的光谱图像中,果与叶的灰度值只存在微小差异,常用的图像分割方法不足以把果与叶区分开,为此,提出一种基于多光谱图像融合的形态学重构分割方法.首先,采集同一目标的可见光彩色图像和近红外图像,对此多光谱图像分别采用主成分分析(PCA)、小波变换以及可见光图像H分量与近红外图像NIR的算术组合(NIR/H)等方式进行融合处理:然后,对融合图像进行形态学重构分水岭分割.多幅苹果和番茄图像的同标提取试验结果表明,对可见光图像和近红外图像的PCA和小波变换融合图像进行形态学重构分水岭分割,可以得到较好的分割效果,尤其是小波变换融合图像的形态学重构分水岭分割效果更具有自适应性.     

改进Niblack算法的光照不均匀QR码识别研究

QR码作为农产品可追溯体系的信息载体,一直是农业领域的科研热点。在实际应用中,溯源环境的复杂多变易使设备采集到光照不均匀的QR码图像而增加解码流程中二值化的难度,影响后续解码。该文针对原始Niblack算法自适应性不足的缺陷,提出一种自适应邻域窗口和修正系数的Niblack算法,该算法依据QR码图像的分辨率和灰度值,动态调整修正系数和邻域窗口,进行自适应二值化处理。分别用改进Niblack算法,原始Niblack算法和Otsu算法处理设备无法识别的不同光照环境下、不同程度的光照不均匀QR码图像,试验数据表明经改进算法处理后的识别成功率为74.2%,高出原始Niblack算法18.4%,高出Otsu算法71.7%,具有较高的鲁棒性。这一结果对农产品在各种光照不均匀环境中的溯源提供了参考。