病虫害状态下作物叶片表观模拟方法

为了解决农作物病害三维场景难以模拟的问题,该文提出一种病虫害条件下叶片表观的模拟算法。该方法首先利用细胞纹理基函数控制病斑的形状、分布及扩散方式;之后为了模拟病斑在叶片上的堆积效果,采用shell模型进行模拟,并针对病斑的特点,对病斑的颗粒感、高度变化以及周边叶色的变化情况均进行建模。试验结果表明,该方法可以真实地模拟植物叶片在病害状态下的表观,可以容易地与病害知识进行结合,实现基于环境数据驱动的白粉病病情变化过程模拟,为数字农业设计及农业科普培训动画的制作提供有力工具。     

基于显著和模糊检测的浅景深作物病害图像分割

大多数现有的基于图像的作物病害诊断方法往往对输入图像的质量具有很高的要求,例如要求背景简单、大景深等等。因此这些方法的预处理过程中需要去除复杂背景,然而这个预处理较难获得理想的结果。此外,当作物病斑面积较小时,会使得获取的图像景深较浅,也导致了这些方法难以抽取精确的病斑区域。为了解决上述问题,该文提出一种利用目标检测来分割病斑图像的方法。首先,该方法对抽取的结构特征和颜色特征进行整合并对特征空间进行量化,从而得到作物病害图像的显著区域。该方法不需要进行去除复杂背景的预处理过程即可得到病斑区域的图像;同时,为了处理浅景深的病害图像,引入了模糊检测方法用以进一步过滤背景和模糊区域的图像。试验中利用多种黄瓜和水稻病害的图片,将该方法与阈值法、图切割法进行了对比,结果表明该方法在效率不明显降低时,其分割效果明显优于阈值法;在分割效果差异不大时,其运行效率明显高于图切割方法;同时,该方法能够对浅景深的作物病害图像的病斑区域进行有效的分割。     

基于显著和模糊检测的浅景深作物病害图像分割（英文）

大多数现有的基于图像的作物病害诊断方法往往对输入图像的质量具有很高的要求,例如要求背景简单、大景深等等。因此这些方法的预处理过程中需要去除复杂背景,然而这个预处理较难获得理想的结果。此外,当作物病斑面积较小时,会使得获取的图像景深较浅,也导致了这些方法难以抽取精确的病斑区域。为了解决上述问题,该文提出一种利用目标检测来分割病斑图像的方法。首先,该方法对抽取的结构特征和颜色特征进行整合并对特征空间进行量化,从而得到作物病害图像的显著区域。该方法不需要进行去除复杂背景的预处理过程即可得到病斑区域的图像;同时,为了处理浅景深的病害图像,引入了模糊检测方法用以进一步过滤背景和模糊区域的图像。试验中利用多种黄瓜和水稻病害的图片,将该方法与阈值法、图切割法进行了对比,结果表明该方法在效率不明显降低时,其分割效果明显优于阈值法;在分割效果差异不大时,其运行效率明显高于图切割方法;同时,该方法能够对浅景深的作物病害图像的病斑区域进行有效的分割。     

基于叶片图像和环境信息的黄瓜病害识别方法

作物病害严重影响着作物的产量和质量,病害类型识别是病害防治的前提。利用图像处理和统计分析,提出了一种基于病害叶片图像和环境信息的黄瓜病害类别识别方法。采集不同季节、温度和湿度等环境下的病害叶片图像,并记录病害的环境信息;利用属性约简法提取病害叶片的5个环境信息特征向量,对病害叶片图像进行一系列图像处理,提取病斑图像的颜色、形状、纹理等35个统计特征向量。将两者结合得到黄瓜病害的40个特征分量。再利用统计分析系统(statistical analysis system,SAS)的判别分析方法,选择10个分类能力强的特征分量,计算作物病害的聚类中心分类特征向量。最后,利用最大隶属度准则识别病害叶片的病斑类别。对黄瓜的霜霉病、褐斑病和炭疽病3种叶部病害的识别率高达90%以上。试验结果表明,该方法能够有效识别作物叶部病害类别,可为田间开放环境下实现作物病害的快速自动识别提供依据。     

基于局部判别映射算法的玉米病害识别方法

如何快速准确检测到作物病害信息是作物病害防治中的一个首要问题,根据作物叶片症状识别作物病害是作物病害检测的一个基本方法。由于病害叶片颜色、形状和纹理之间的差异很大,使得很多经典的模式识别方法不能有效地应用于作物病害识别中,为此提出了一种基于局部判别映射(local discriminant projects,LDP)的作物病害识别方法。首先,利用区域增长分割算法分割病害叶片中的病斑图像;然后,将病斑图像重组为一维向量,再由LDP对一维向量进行维数约简;最后,利用最近邻分类器识别作物病害类别。利用LDP算法将高维空间的一维向量样本点映射到低维子空间时,能够使得类内样本点更加紧凑,而类间样本点更加分离,从而得到最佳的低维分类特征。利用该方法在5种常见玉米病害叶片图像数据库上进行了病害识别试验,识别精度高达94.4%。与其他作物病害识别方法(如基于神经网络、主分量分析+概率神经网络和贝叶斯方法)和监督子空间学习算法(如算法局部判别嵌入和判别邻域嵌入)进行了比较。试验结果表明,该方法对作物病害叶片图像识别是有效可行的,为实现基于叶片图像处理技术的作物病害的田间实时在线检测奠定了基础。     

基于模糊C均值聚类的作物病害叶片图像分割方法研究

为提高作物病害图像的分割效果,根据作物病害图像的特点,提出了一种基于模糊C均值聚类算法(FCM)的作物病害图像自适应分割方法.该方法将像素的灰度与其邻域均值作为FCM的输入特征,变换FCM的隶属度函数使其包含图像的局部邻域特性;通过聚类有效性验证分析和试验确定模糊C均值聚类算法(FCM)的最优聚类数、模糊加权指数.运用该方法对棉花病害叶片图像进行分割.结果表明:该方法能较好将病斑部分和正常部分分割开,平均分割误差率小于5%,对作物病害图像的分割处理非常有效.     

基于改进型模糊边缘检测的小麦病斑阈值分割算法

针对小麦病斑分割不准确、噪声大以及病斑边缘不清晰等问题,结合传统的作物病斑分割方法,提出一种基于改进的模糊边缘检测的图像阈值分割算法。图像预处理方面,在分析了传统模糊边缘检测缺点的同时对算法作了两个方面的改进,使用梯度倒数加权平均滤波方法去除小麦病斑噪声,然后对多层次模糊算法进行数值分层改进,增强病斑边缘信息;最后对传统的阈值分割方法进行了算法改进,采用一种改进的最大类间方差比阈值分割方法,在增强图像边缘的基础上进行阈值分割,改进阈值选取方法,在模糊增强后的小麦病斑图像上进行阈值分割提取出小麦病斑形状特征。对在大田环境下获取的小麦病害图像进行边缘增强和阈值分割试验,与传统固定阈值分割算法试验对比得出,基于改进的模糊边缘增强与阈值分割相结合的改进算法正确分割率达98.76%,相比传统固定阈值分割算法提高了8.35个百分点,漏检比增加了1.29个百分点,噪声比为1.86%,相比减少了8.36个百分点,在运算时间上减少了0.331 s,不仅突出病斑边缘信息,而且分割效率高、噪声小,可为图像分割方法的研究提供了可参考依据。     

基于时序图像跟踪的葡萄叶片病害动态监测

为提高自然成像条件下的酿酒葡萄图像中病害识别的可靠性,对时序叶片图像作连续病害检测并监测病斑变化情况。首先,在每一天利用Faster R-CNN算法对摄像机视场中葡萄叶片进行检测,对检测到的叶片采用改进卡尔曼滤波法进行跟踪,以获得叶片正面图像。为了实现多叶片跟踪和解决由遮挡而造成的跟踪失败问题,该文在卡尔曼滤波和匈牙利算法基础上,结合运动测度和深度外观信息对跟踪目标进行匹配,运动匹配时采用马氏距离,外观匹配方面采用最小余弦距离。其次,将不同日期的叶片正面图像做SIFT(scale-invariant feature transform)匹配,找到同一叶片按日期排列的一组序列图像,并在序列图像中通过深度学习技术进行病害识别。最后,通过监测叶片序列图像上病斑相对面积变化或病斑数量是否增加来确认病害的存在。该文对提出的跟踪算法、叶片匹配算法和序列图像上病害识别的精度进行了测试,试验表明:跟踪算法平均多目标跟踪准确度为73.6%,多目标跟踪精度为74.6%,基于判别模型颜色特征的传统跟踪算法两指标分别为14.3%和61.3%;基于SIFT特征的叶片匹配在识别同一叶片时的精度达到了90.9%;病害监测方面,虚警综合排除率(马修斯相关系数)达到了84.3%。该文的方法可以排除一些虚假病害,病害监测的可靠性有所提高,可适用于自然条件下葡萄病害的连续在线监测。     

改进Hough变换的农作物病斑目标检测方法

为了能够快速、准确地对农作物病斑进行图像检测,该文根据病斑的形态特点,提出一种基于边缘检测与改进Hough变换的病斑目标检测方法。该研究根据不同种类的病害图像,采用R、G、B或者之间的差值分量确定病斑的特征图像,采用边缘提取、修复、过滤等方法获取病斑轮廓。对Hough变换的应用策略进行改进,采用边缘线编码,每个病斑根据自身形态确定变换的参数,并采用对应的圆形对病斑边界进行拟合,从而对病斑进行检测,同时对病斑边界进行有效识别。以90幅不同种类农作物病害图像为研究对象,对病斑进行类圆目标检测,检测圆拟合精度为87.01%,圆心定位误差为4.44%。结果表明,该方法能够快速、准确地对类圆病斑进行检测,同时对病斑边界有较好的识别效果。     

基于卷积神经网络的温室黄瓜病害识别系统

基于图像处理和深度学习技术,该研究构建了一个基于卷积神经网络的温室黄瓜病害识别系统。针对温室现场采集的黄瓜病害图像中含有较多光照不均匀和复杂背景等噪声的情况,采用了一种复合颜色特征(combinations of color features,CCF)及其检测方法,通过将该颜色特征与传统区域生长算法结合,实现了温室黄瓜病斑图像的准确分割。基于温室黄瓜病斑图像,构建了温室黄瓜病害识别分类器的输入数据集,并采用数据增强方法将输入数据集的数据量扩充了12倍。基于扩充后的数据集,构建了基于卷积神经网络的病害识别分类器并利用梯度下降算法进行模型训练、验证与测试。系统试验结果表明,针对含有光照不均匀和复杂背景等噪声的黄瓜病害图像,该系统能够快速、准确的实现温室黄瓜病斑图像分割,分割准确率为97.29%;基于分割后的温室黄瓜病斑图像,该系统能够实现准确的病害识别,识别准确率为95.7%,其中,霜霉病识别准确率为93.1%,白粉病识别准确率为98.4%。     

基于叶片病斑特征的茄子褐纹病识别方法

目前对蔬菜病害的识别方法都有一定的局限性,难以满足现代农业要求。该文以计算机视觉技术为手段,结合图像处理与模式识别技术,重点分析了茄子病害叶片上褐纹病病斑的颜色、形状、纹理特征参数,提出了一种基于叶片病斑特征的茄子褐纹病识别方法。根据在HSI(hue-saturation-intensity)颜色空间中叶片上病斑色调不同的特点,利用H分量图像提取病斑,获取病斑图片,然后提取每个病斑区域的12个颜色参数、11个形状参数和8个纹理参数等共31个特征参数。再通过方差和主成分分析法选择20个分类能力强的特征参数组成分类特征向量,并随机选取35个非褐纹病病斑的特征向量与35个褐纹病病斑的特征向量组成的训练集,构建Fisher判别函数对测试集进行分类,试验结果表明,对茄子褐纹病的识别准确率达到90%,说明该识别方法可以对茄子叶部病害进行快速、准确识别,为田间开放环境下实现茄子病害实时检测提供了技术支撑。     

基于高光谱图像和遗传优化神经网络的茶叶病斑识别

为实现茶叶病害的快速高效识别,提出了基于高光谱成像技术和图像处理技术融合的茶叶病斑识别方法。利用高光谱成像技术采集了炭疽病、赤叶斑病、茶白星病、健康叶片等4类样本的高光谱图像。提取感兴趣区域敏感波段的相对光谱反射率作为光谱特征。通过2次主成分分析,确定第二次主成分分析后的第二主成分图像为特征图像,基于颜色矩和灰度共生矩阵提取特征图像的颜色特征和纹理特征。利用BP神经网络对颜色、纹理和光谱特征向量融合数据进行检验,识别率为89.59%;为提高识别率,提出遗传算法优化BP神经网络的方法,使病斑识别率提高到94.17%,建模时间也缩短至1.7 s。试验结果表明:高光谱成像技术和遗传优化神经网络可以快速准确的实现对茶叶病斑的识别,可为植保无人机超低空遥感病害监测提供参考。     

基于变化光源方向多图像的植物叶片表观三维模拟

为了真实准确地模拟植物叶片表观颜色,提出一种基于多图像的叶片表观模拟方法。首先搭建基于线性光源的表观图像采集系统,用以获得400张视线角度固定、光源方向变化的叶片图像集合;采用拟合方法自动地从400张图像中获得整个叶片表面的表观特征参数,包括漫反射强度、高光反射强度和粗糙度;利用该拟合方法对线性光源移动条件下理想物体的各种反射特征的变化情况进行仿真计算,然后针对叶片图像中的每个像素寻找与仿真计算结果最接近的表观模型参数作为拟合结果。通过该拟合方法,可将叶片表面上各个位置的表观参数合成3张表观参数图像,采用基于点光源的实时光照方法测试最终的可视化模拟效果。从模拟结果中可以看出利用该文方法得到的结果能够真实地表现叶片自身的表观质感特性,相对于传统方法更加真实准确。     

基于支持向量机的葡萄病害图像识别方法

应用计算机图像处理技术和支持向量机识别方法研究了葡萄叶部病害的识别，以提高识别的准确性和效率。首先对采集到的葡萄病害彩色图像采用矢量中值滤波法去除噪声，然后采用统计模式识别方法和数学形态学对病叶图像进行了分割。最后提取了葡萄病叶彩色图像的纹理特征、病斑的形状特征和颜色特征，并用支持向量机的模式识别方法来识别葡萄病害。试验结果表明：支持向量机识别方法能获得比神经网络方法更好的识别性能；综合形状特征和纹理特征的支持向量机识别方法对葡萄病害的正确识别率优于只用形状特征或纹理特征的病种识别，综合颜色特征和纹理特征     

单图像的植物器官表观纹理生成系统研发

为提高农业题材三维数字媒体内容制作效率,解决植物器官表观纹理制作流程繁琐的问题,研发了基于单图像的植物器官表观纹理生成系统。该系统分为漫反射强度纹理、透射纹理、高光纹理、法向量贴图、环境遮蔽图以及表观纹理实时可视化6个模块。漫反射强度纹理生成模块采用基于能量约束的本征图像分解方法将植物器官图像分解为漫反射纹理以及光照图;透射纹理生成模块以PROSPECT模型为理论基础,反演植物叶片透射与反射的统计学关系,利用漫反射纹理生成透射纹理;高光参数纹理生成模块采用交互式操作,基于用户对少量样本点的高光表观参数设定,根据概率插值出整个器官表面的高光参数,进而形成高光强度纹理和粗糙度纹理;法向量贴图模块在阴影恢复形状技术的基础上,综合低频和高频特征生成法向量贴图;环境遮蔽图生成模块通过简单的亮度倍增操作,将光照图转换成环境遮蔽纹理;表观纹理实时可视化模块利用上述生成的表观纹理进行实时的器官三维渲染,为用户提供反馈。系统仅需调节3个参数即可生成6种样式丰富的器官表观纹理,操作简捷,自动化程度高。在处理512×512分辨率的图像时,生成6种表观纹理的总计算时间小于8 s。结果表明,该系统可以通过简单的操作,高效生成三维植物可视化中常用的表观纹理,为农业题材的三维数字资源开发提供技术工具。     

基于机器视觉的马铃薯晚疫病快速识别

晚疫病是马铃薯的一种严重病害,可造成减产甚至绝收。因此马铃薯晚疫病的识别与控制对提高其产量有非常重要的意义。该文基于机器视觉技术对马铃薯叶部晚疫病进行检测,根据马铃薯叶片上晚疫病斑的颜色、纹理和形状特征参数的不同,提取叶片表面的特征参数,并建立数学模型对病害程度做出评价。在RGB、HSV颜色空间中,根据马铃薯叶片在患病早期叶片颜色发生变化且与健康叶片不同,利用颜色特征,建立马铃薯晚疫病的无病和患病模型,该模型对马铃薯患病早期的识别率为67.5%。利用灰度共生矩阵,采用纹理统计参数进行病害等级评价,用熵值和能量值描述晚疫病的严重程度,纹理特征对患病程度的识别率比较稳定,对患病中期与后期的识别率分别为72.5%与80%。利用形状特征的相对特征,根据病斑面积比进行晚疫病诊断,该方法对马铃薯叶片晚疫病患病后期的诊断取得较好效果,识别率为90%,但由于叶片患病早期的病斑面积小且分散,识别难度大,识别率仅为50%。针对颜色、纹理及形状特征在识别马铃薯叶片晚疫病时的优势与局限性,提出颜色纹理形状特征结合的识别方法,对患病中期与后期的识别率分别为90%和92.5%。通常马铃薯晚疫病的理化值检测法耗时数天,但利用机器视觉识别马铃薯晚疫病患病情况非常快速,根据颜色特征进行病害识别的时间约为4 s,纹理特征识别的时间为7 s,形状特征特征识别的时间为3 s,综合颜色纹理形状特征的识别由于计算量较大,识别时间为9 s。该研究可为基于机器视觉的马铃薯晚疫病的快速检测提供理论依据。     

基于融合多特征图切割的作物病害图像自动分割

为提高黄瓜叶部病害图像的分割性能,该文提出一种基于融合多特征图切割的病害图像自动分割方法。首先采用一种新的阈值化方法对原始病害图像的红色分量进行二值化处理;然后融合纹理、灰度、距离3个特征构建能量函数的边界项,描述像素间的相似性;再利用分割区域像素与区域边界像素的红色分量差值自动建立能量函数的区域项,反映像素归属于背景和目标的程度;最后运用最大流算法求解能量函数得到分割结果。将该方法应用于黄瓜3种病害(靶斑病、霜霉病和白粉病)叶部图像分割中,并与OTSU算法及半自动图切割算法的分割结果进行比较。试验结果表明,该方法的平均错分率为1.81%,低于其他2种算法,平均分割速度约为2.34 s并无大幅增加。该研究可为黄瓜病害的自动识别和诊断提供技术参考。