基于相移算法的苹果果梗/花萼检测方法

由于苹果表面缺陷与果梗/花萼具有相似的灰度特征,通过传统机器视觉方法难以对两者进行有效区分。为避免苹果果梗/花萼对其表面缺陷识别造成干扰,该研究提出了一种基于相移算法的苹果果梗/花萼检测方法。通过搭建条纹投影系统,投影仪投射三步相移条纹至苹果样本,摄像机同步采集经苹果表面调制的条纹图像;通过分析发现果梗/花萼区域的条纹图像凹凸性与正常区域存在明显差异,利用三步相移算法恢复条纹图像的截断相位,结合相位偏移、阈值分割和二维凸包算法便可检测出苹果果梗/花萼。试验结果表明：该方法能够有效地区分果梗/花萼和表面缺陷,识别出不同位置和角度的果梗/花萼,整体准确率可达到99.12%;同时能够满足在线检测需求,平均处理时间约为0.479s。该研究可为苹果外观品质检测提供技术支持。     

基于DT-CWT和LS-SVM的苹果果梗/花萼和缺陷识别

该文提出了一种基于双树复小波变换(DT-CWT)和最小二乘支持向量机(LS-SVM)区分苹果的果梗/花萼和缺陷的方法。对苹果图像使用DT-CWT分解,使用变换后得到的高频子带系数的均值和方差构造特征向量,然后使用最小支持二乘向量机作为分类器进行分类。对180幅苹果图像进行了试验。讨论了DT-CWT分解层数以及目标图像大小对分类正确率的影响。试验结果显示,使用3层DT-CWT对大小为64×64子图像进行小波分解提取纹理特征,能达到最好的分类效果,分类正确率可以达到95.6%。     

基于高光谱成像的苹果虫伤缺陷与果梗/花萼识别方法

为了快速、准确、无损检测在果梗/花萼的干扰下苹果虫伤缺陷,该文利用高光谱成像技术,首先选取正常果和虫伤果各80个,提取并分析了苹果表面感兴趣区域(虫伤区域、果梗区域、花萼区域、正常区域)的光谱曲线,结合824 nm波长特征图像的阈值分割和主成分分析,对获得的第一主成分图像提取160×120像素大小的感兴趣区域。然后提取感兴趣区域的能量、熵、惯性矩和相关性4个纹理特征,融合646、824 nm波段的相对光谱反射率的光谱特征,采用支持向量机对苹果虫伤区域和正常区域、果梗/花萼区域进行识别。试验结果表明:选取160×120像素大小的感兴趣区域图像、采用径向基核函数对正常果、果梗/花萼果与虫伤果的识别效果最好,总体识别率为97.8%。该研究为苹果质量等级在线评判提供理论依据。     

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。     

采摘机械手对扰动荔枝的视觉定位

为了解决采摘机器人在自然环境中对扰动状态荔枝的视觉精确定位问题,该文分析机械手采摘过程中荔枝产生扰动的因素,设计制造了模拟荔枝振动的试验平台,该试验平台通过改变方向、振频、振幅等振动条件来模拟采摘过程中的扰动环境;结合振动平台运动参数,提出了双目立体视觉系统采集扰动状态的荔枝图像方法,在HSI颜色空间中对预处理后荔枝图像利用模糊C均值聚类法(FCM,fuzzyC-means)分割荔枝果实和果梗,然后利用Hough变换算法进行直线拟合确定有效的果梗采摘区域和采摘点,对多帧图像中采摘点坐标取平均值,然后进行三维重建确定空间采摘点坐标。荔枝扰动状态的视觉定位试验结果表明,空间定位深度值误差小于6cm,荔枝采摘机械手能实现有效采摘,该研究为机械手实际作业提供指导。     

用计算机视觉进行黄花梨果梗识别的新方法

梨的果梗是否存在是分级的重要特征之一。通过计算机视觉系统摄取黄花梨图象,应用图象处理技术完成图象与背景的分割。针对使用细化及收缩膨胀算法识别果梗速度较慢,提出了一种快速算法。该法利用梨果梗直径小,选择不同大小的模板,判别图象中是否存在果梗,同时得到果梗头、底部与梨相交点的坐标,依据切线斜率信息,对果梗的完好性进行判断。试验结果表明,该算法可以１００％判断果梗是否存在,判断果梗是否完好的正确率达到９３％,判别速度提高４～６倍。而且该算法具有一定的鲁棒性,对旋转、移位不敏感。     

基于深度学习的葡萄果梗识别与最优采摘定位

针对葡萄采摘机器人在采摘作业中受果园环境干扰,难以准确识别与分割葡萄果梗及定位采摘点的问题,该研究根据葡萄生长的特点提出一种基于深度学习的葡萄果梗识别与最优采摘定位方法。首先通过改进掩膜区域卷积神经网络(Mask Region with Convolutional Neural Network,Mask R-CNN)模型对果梗进行识别与粗分割;然后结合阈值分割思想对果梗的色调、饱和度、亮度(Hue Saturation Value,HSV)色彩空间进行分段式提取,取每段色彩平均值作为该段果梗基准颜色阈值,利用区域生长算法对果梗进行精细化分割;最后计算果梗图像区域的质心,并以临质心点最近的果梗水平两侧中心作为最终采摘点。试验结果表明,在不同天气光照下该方法对葡萄果梗的检测精确率平均值为88%;在果梗成功识别后最优采摘点定位准确率达99.43%,单幅图像的果梗采摘定位平均耗时为4.90s,对比改进前Mask R-CNN检测耗时减少了0.99 s,F1-得分提高了3.24%,检测效率明显提升,该研究为葡萄采摘机器人提供了一种采摘点定位方法。     

视觉导航农用车辆相对位姿测量新方法(英)

农田环境中农作物大多呈近似直线的行垄分布特点，农用车辆自主视觉导航时通常利用这些景物特征作为跟踪目标。提出了一种计算车辆相对于跟踪目标位姿的新型方法，首先分析了传统算法中存在的计算量大、忽视图像平面中各像素权重不同等缺陷，而后依据跟踪路径局部线性模型假设，详细地推导了算法过程。基于视觉导航原型车辆的试验结果表明，与人工测量值相比，横向距离和航向角的误差均值都等于零，标准差分别为3cm 和0.62deg。     

并联机器人串类水果抓取模型及抓取位姿计算

针对随机放置串类水果图像中主果梗和非主果梗间特征区别不明显、平面轮廓法获取的机器人抓取位姿信息较少的问题,该文构建了并联机器人串类水果三维抓取模型,并提出一种基于主果梗骨架和三维抓取模型的4-R(2-SS)并联机器人随机放置串类水果抓取位姿计算方法,以获取较高精度、包含较多信息的抓取位姿,进一步提高机器人对串类水果的抓取成功率。采用果粒和果梗区域的轮廓间距构建用于提取串类水果果梗轮廓的形态学图像分割法,并基于多维特征向量和高斯混合模型聚类算法提取主果梗;根据主果梗三维位姿和机器人夹持机构特征构建4种基于主果梗骨架的随机放置串类水果三维抓取模型,获取夹持机构的空间位置、绕Z轴的旋转角度以及手指开口宽度的抓取位姿信息。将提出的抓取位姿计算方法应用于课题组研制的4-R(2-SS)并联机器人串类水果机器视觉自动分拣系统进行试验验证。试验结果表明,相对于基于平面轮廓的抓取位姿获取方法,基于该文方法的有分支主果梗和无分支主果梗串类水果的抓取成功率分别提高14和12个百分点,平均抓取成功率提高13个百分点。该文提出的抓取位姿计算方法可有效提高4-R(2-SS)并联机器人机器视觉系统对随机放置串类水果抓取位姿的获取精度,有助于进一步实现串类水果的准确快速自动分拣。     

自然场景图像中的重叠蜜柚识别及试验

重叠蜜柚目标的准确分离和蜜柚果梗的定位是实现采摘自动化必须解决的两个关键问题。现有的苹果、柑橘等重叠果实分离方法不适用于重叠蜜柚,且无果梗定位功能。针对以上问题,本文提出了一种结合渐进式中心定位的重叠蜜柚分离方法和果梗定位方法。首先利用主成分分析方法提取蜜柚区域、滤除背景并对图像中的重叠蜜柚进行初步分离;接着,对重叠蜜柚区域采用渐进式中心定位方法得到各个蜜柚的中心;然后,利用区域边缘点到其相应的不同中心点的距离大小的变化规律实现重叠蜜柚的分离;最后,利用前述的中心点结合蜜柚的形状特征,定位出遮挡程度较小的蜜柚果梗。在50张自然场景下的图像上进行试验,结果表明在有阴影、小目标、遮挡和重叠等复杂环境下,该方法的平均识别率为94.02%。同时,对于果梗未被遮挡且离摄像头较近的蜜柚,也给出了准确的果梗区域。在利用蜜柚模型搭建的识别自动化试验平台上进行试验,结果表明采摘机器人能够有效识别并分离重叠蜜柚、定位果梗。本研究可为蜜柚采摘机器人准确识别重叠果实提供参考。     

全极化SAR图像的煤矿区土地覆盖信息分层提取方法研究

为弥补光学遥感在煤矿区资源与生态环境监测中应用的不足, 研究应用全极化SAR图像有效提取煤矿区土地覆盖信息的方法具有重要意义。针对全极化SAR图像极化信息丰富、斑点噪声多、局部异质性大等特点, 提出采用面向对象的影像分类方法对其进行分层土地覆盖信息提取。以徐州市西南部的煤矿区为研究区, 选取Radarsat-2的全极化SAR图像, 分析了研究区内全极化SAR图像中典型地物的灰度特征, 提出面向对象分类方法所涉及的最优分割尺度选择法, 给出全极化SAR图像分割对象后向散射特征的计算方法。对研究区的SAR图像进行试验, 首先对SAR图像进行多尺度分割, 选择各土地覆盖类型的最优分割尺度, 然后在该尺度下计算出土地覆盖类型的后向散射特征指数, 最后采用模糊逻辑分类法分层提取出研究区内的土地覆盖信息。结果表明: 在适于各土地覆盖类型提取的最优分割尺度下, 充分利用分割对象的灰度、形状、纹理以及类间相关特征, 并综合应用隶属函数法和最邻近分类法, 能有效地提取煤矿区的农田、道路、塌陷地、建筑物、山林这5类土地覆盖信息。与最大似然分类法相比, 该方法能够较好地消除"椒盐现象", 各种土地覆盖类型的提取精度都有所提高, 其总体分类精度可提高38.3%。     

基于时空滤波Sentinel-1时序数据的田块尺度岭南作物分布提取

为解决岭南地区作物制图中光学影像时空覆盖缺失以及作物种植结构复杂导致不确定性高等问题,以满足对高精度作物制图日益迫切的应用需求。该研究提出了一种基于Sentinel-1的双极化时间序列和作物物候信息建立时空维度典型物候特征的作物分类方法,选择广州市南沙区为试验区,通过XGBoost机器学习算法,实现了田块尺度下的不同作物类型的准确识别及种植面积的精细提取。结果表明：1）相比像素时序特征分类结果,经过雷达时空滤波后的田块时序特征分类方法不仅能有效抑制合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar,SAR）影像斑点噪声产生,而且总体分类精度和Kappa系数分别提高了12.5个百分点、0.19;2）与仅基于Sentinel-1(VV+VH)时空滤波后的全年时序特征分类方法相比,在分类过程中添加物候特征变量的方法表现出更高的精度,Kappa系数可达0.91,甘蔗和香蕉播种面积提取精度分别达到82.04%和71.01%。研究结果表明中高分辨率SAR影像（10 m×10 m）时间序列结合XGBoost算法和雷达数据时空滤波策略可实现区域作物准确识别及种植面积提取,同时,可从数据源与分类方法上为岭南地区农业遥感应用提供思路,对该地区农业灾害管理和灾后救助具有重要参考价值。     

基于改进惯性矩算法的冷鲜猪肉新鲜度激光散斑图像检测

为了探究激光散斑技术检测冷鲜猪肉新鲜度的可行性,用660和465 nm 2种波长的激光对宰后24 h的猪肉样本在7 d内的激光散斑图像进行采集。以时间序列散斑(time history of speckle pattern,THSP)图像的惯性矩(inertia moment,IM)作为散斑活性,研究冷鲜猪肉散斑活性随货架期的变化规律。通过分析2种波长不同行的选取对IM值的影响,发现不同波长其奇偶行IM的规律不同,并针对传统IM算法容易出现异常值、稳定性差等缺点提出3点改进:设计排序算法动态选择散斑活性最高峰及周围2个相邻行,依此计算样本IM值;改进共生矩阵的修正矩阵计算方法;改进非零元素偏离对角线距离的计算方法。结果显示,改进方法可以有效地抑制异常值干扰,冷鲜猪肉散斑活性随货架期呈现先上升后下降的变化趋势。根据测得的挥发性盐基氮值(total volatile basic nitrogen,TVB-N)和散斑活性IM值建立猪肉新鲜度等级预测模型,结果显示465 nm波长的激光判别效果要好于660 nm激光,其训练集和预测集的识别率能达到87.5%和89.29%。试验结果表明利用激光散斑技术检测冷鲜猪肉新鲜度的具有可行性。     

基于机器视觉的马铃薯自动分级方法

为了实现马铃薯的自动分级,设计了基于V型平面镜同时获取三面图像的马铃薯机器视觉分级系统,并提出了相应的分级算法。根据大小特性,提出基于最小外接柱体体积法的马铃薯大小分级检测方法;根据外形特性,采用最长径外接矩形的宽高比法,实现了类圆形、椭圆型以及长型马铃薯的分类;根据马铃薯缺陷特点,分别提出以缺陷面积大小作为判别准则的孔洞、干腐马铃薯判别方法,以外接矩形对角线长度作为判别准则的机械损伤马铃薯判别方法和基于交叉法的发芽、畸形马铃薯检测方法。最终马铃薯的分级正确率为91.0%。试验结果表明:基于机器视觉的马铃薯自动分级检测方法可行,可用于马铃薯外部品质的在线检测。     

AE—Automation and Emerging Technologies: On-line Fruit Grading according to their External Quality using Machine Vision

This paper presents apple grading into four classes according to European standards. Two varieties were tested: Golden Delicious and Jonagold. The image database included more than a 1000 images of fruits (528 Golden Delicious, 642 Jonagold) belonging to the three acceptable categories—Extra, I and II—and the reject (each class represents, respectively, about 60, 10 and 20% of the sample size).The image grading was achieved in six steps: image acquisition; ground colour classification; defect segmentation; calyx and stem recognition; defects characterisation and finally the fruit classification into quality classes.The proposed method for apple external quality grading showed correct classification rates of 78 and 72%, for Golden Delicious and Jonagold apples, respectively. Taking into account that the healthy fruit were far better graded and considering that this class was under represented in the sample compared with the fruit population, the results of the proposed method (an error rate which drops to 5 and 10%, respectively) are compatible with the requirements of European standards.     

基于特征波段的SPOT-5卫星影像耕地信息自动提取的方法研究

首先分析了SPOT-5卫星影像中植被和其它主要背景地物的光谱特征，发现利用原有波段难以提取复杂的植被信息，同时植被信息中的耕地(水田和旱地)和园地在所有波段上都有重叠很难区分。因此考虑到植被信息的复杂性和波段信息的不足以及研究区内地势平坦，该文提出了利用植被特征波段：加和比值植被指数(PRVI)和归一化植被指数(NDVI)作为新的波段融入原始影像中，在增加有效信息量的同时运用简单决策树模型提取耕地信息，并参照最新的航测数据进行了精度评价。结果表明，该方法的总体提取效果较好，能够在快速、准确提取植被信息的基础上，进一步区分旱地和水田，并且去除容易混淆的园地。与常规的监督分类方法相比都有很大的提高，只是在耕地和园地交界处有误判现象。     

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。     

地块尺度的复杂种植区作物遥感精细分类

实现复杂农区作物种植信息的精准、动态监测是中国农业精细化管理面临的迫切需求,而作物种植碎片化和异质性给作物遥感精细分类带来了诸多挑战,该文旨在探索基于高分辨率影像的地块尺度多种作物同步识别方法,以满足实时获取复杂农区作物详细分布信息需要。研究选取武汉市新洲北部为典型区,以WorldView-2影像为数据源,利用ReliefF-Pearson方法优选作物遥感特征,采用人工神经网络、K最近邻和随机森林算法进行作物分类,并对比分析其精度。研究发现：1）RVI、NDVI、相关性和边界长度等12个特征构成了地块尺度作物分类的相对较优特征,可在充分表征影像信息同时降低数据冗余;2）相比于人工神经网络和K最近邻算法,随机森林算法分类精度最高,其总体精度达79.07%;3）以光谱特征差异为作物区分基础,形状和纹理特征的使用能有效改善地块尺度作物分类精度,总体精度可提高4%左右;4）研究所采用的方法体系能有效提升复杂种植区地物分类精度,水稻、棉花、荷等主要作物以及裸旱地、裸水田等地物分类精度均达到了80%以上。研究成果可为复杂种植区作物遥感精细分类提供新的思路和方法借鉴,亦可为作物种植信息精准普查、土地利用精细化管理以及农业产业结构调整动态监测等提供参考。