野生动物监测光照自适应Retinex图像增强算法

针对野外白天不同光照对野生动物监测图像质量造成的影响,提出一种基于Retinex理论的光照自适应图像增强方法。该方法首先使用基于复合梯度的引导滤波估计图像照度分量,克服光照突变造成的伪光晕现象;然后提出一种基于Otus阈值的对比度自适应拉伸方法实现照度分量的校正,克服传统算法过度增强的问题;最后采用照度分量单通道图像计算反射分量图像,实现色彩的保真。该文采用50张保护区实地拍摄的野生动物监测图像为样本进行试验,结果表明,该文算法相比于MSRCR算法、双边滤波Retinex算法和引导滤波Retinex算法色调保真度平均提高81.00%、5.24%和3.58%,信息熵平均提高6.76%、6.23%和2.61%,峰值信噪比平均提高53.43%、5.36%和-2.85%,运算耗时减少-29.03%、78.51%和28.68%,证明该文算法可以有效克服传统Retinex理论算法的过增强、伪光晕现象和灰化效应,实现不同光照条件下野生动物监测图像的自适应增强。     

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。     

基于平滑轮廓对称轴法的苹果目标采摘点定位方法

果实采摘点的精确定位是采摘机器人必须解决的关键问题。鉴于苹果目标具有良好对称性的特点,利用转动惯量所具有的平移、旋转不变性及其在对称轴方向取得极值的特性,提出了一种基于轮廓对称轴法的苹果目标采摘点定位方法。为了解决分割后苹果目标边缘不够平滑而导致定位精度偏低的问题,提出了一种苹果目标轮廓平滑方法。为了验证算法的有效性,对随机选取的20幅无遮挡的单果苹果图像分别利用轮廓平滑和未进行轮廓平滑的算法进行试验,试验结果表明,未进行轮廓平滑算法的平均定位误差为20.678°,而轮廓平滑后算法平均定位误差为4.542°,比未进行轮廓平滑算法平均定位误差降低了78.035%,未进行轮廓平滑算法的平均运行时间为10.2ms,而轮廓平滑后算法的平均运行时间为7.5ms,比未进行轮廓平滑算法平均运行时间降低了25.839%,表明平滑轮廓算法可以提高定位精度和运算效率。利用平滑轮廓对称轴算法可以较好地找到苹果目标的对称轴并实现采摘点定位,表明将该方法应用于苹果目标的对称轴提取及采摘点定位是可行的。     

苹果采摘机器人夜间图像降噪算法

苹果采摘机器人图像处理系统采集到的实时夜间图像含有大量的噪声,影响采摘效率。通过差影法对夜间图像进行噪声分析,判定其噪声类型为以高斯噪声为主,并伴有部分椒盐噪声的混合噪声。针对高斯噪声去除难题,将独立成分分析(independent component analysis,ICA)理论引入夜间图像降噪,并尝试采用粒子群优化算法(particle swarm optimization,PSO)对ICA进行优化,建立基于PSO优化的ICA降噪算法(PSO-ICA),以期最大限度地降低夜间图像的噪声污染。利用标准Lenna图像和自然光下的苹果图像,进行仿真试验,结果表明PSO-ICA方法降噪效果最为理想。然后对白炽灯、荧光灯、LED灯3种不同的人工光源下采集到10个样本点的夜间图像进行验证试验,结果表明,从视觉效果评价,在3种人工光源环境下,PSO-ICA降噪方法得到低噪图像均表现为噪点明显减少;从相对峰值信噪比(relative peak signal-to-noise ratio,RPSNR)看,在3种人工光源下的平均值,PSO-ICA得到的低噪图像,分别比原始图像、均值滤波降噪和ICA降噪得到的图像的相对峰值信噪比提高21.28%、12.41%、5.53%;从运行时间看,PSO-ICA方法较ICA方法的运行时间平均减少了49.60%。PSO-ICA方法用于夜间图像降噪有着独到的优势,为实现苹果采摘机器人的夜间作业打下坚实的基础。     

基于两级分割与区域标记梯度Hough圆变换的苹果识别

自然环境下果实的准确分割与快速识别是采摘机器人作业面临的难题之一。针对自然环境中的成熟苹果，该研究提出一种基于Otsu与分水岭相结合的两级分割算法与区域标记梯度Hough圆变换的苹果识别方法。首先，使用亮度自适应校正算法对表面亮度分布不均的苹果图像进行校正，增强图像的细节信息。结合果实颜色特征，提取YCbCr颜色空间的Cr分量图像作为预处理样本。然后，采用改进后的Otsu算法进行初次分割，得到苹果目标的二值图像，该算法通过引入形态学开-闭重建滤波去除大量背景噪声，通过缩减灰度级遍历范围提高分割速率。采用基于距离变换的分水岭算法进行二次分割，分离粘连果实区域，提取目标苹果的外部轮廓。最后，在轮廓外设置最小外接矩形标记有效区域，在标记区域内进行梯度Hough圆变换实现苹果目标的自动识别。对自然环境中采集的200幅苹果图像进行测试，并与传统梯度Hough圆变换方法进行对比，本文方法在顺、逆光下的识别准确率为90.75和89.79%，比传统方法提高了15.03和16.41%，平均识别时间为0.665和0.693 s，比传统方法缩短了0.664和0.643 s。所提的两级分割算法不仅可以从复杂环境中准确分割果实目标区域，而且可以从粘连果实区域中提取单个果实边界。利用区域标记的梯度Hough圆变换方法能够快速准确地对果实进行识别。研究结果能满足苹果采摘机器人对不同光照下目标识别速度和精度的要求，可为苹果等类球形果实的快速识别提供参考。     

自适应阈值Prewitt的石榴病斑检测算法

针对传统识别方法对石榴外表病斑及石榴轮廓检测精准度不高、抗噪声能力不强以及存在伪边缘等问题。该文提出一种基于自适应阈值Prewitt算子的石榴病斑检测算法。采用双边滤波减少噪声干扰;通过高频强调滤波提高图像高频分量,增强局部细节;根据高斯噪声概率分布设置算子卷积掩膜元素权重,利用对称性将方向梯度两两组合,并计算其L2范数作为该像素点的梯度。对人工拍摄的607张石榴图像进行图像增强和边缘检测试验,加入椒盐噪声和高斯噪声进行抗噪性能测试。试验结果表明,该文算法对石榴病斑的识别正确率为98.24%,获得图像的峰值信噪比为43.72 dB,单张图像识别耗时为0.174 s。该研究具有较好的病害样本与非病害样本区分能力,可为田间环境下石榴病害预防提供参考。     

基于光照无关图理论的苹果表面阴影去除方法

阴影影响下苹果目标的快速准确识别是苹果采摘机器人视觉系统必须解决的关键技术之一。为了实现阴影影响下苹果目标的准确识别,该研究采用光照无关图理论实现了苹果表面阴影的去除。以自然场景下获取的受不同程度阴影影响的苹果目标图像为研究对象,首先利用光照无关图原理获取阴影苹果图像的光照无关图,达到突出苹果目标阴影区域的目的;其次提取原图像的红色分量信息并与关照无关图进行相加处理;最后将相加后的图像进行自适应阈值分割处理,达到去除阴影的目的。为了验证该算法的有效性与准确性,利用20幅受阴影影响的苹果目标图像进行了试验,并与Otsu算法、1.5*R-G色差算法进行了对比,试验结果表明：Otsu算法仅能识别出未受阴影影响的苹果区域;1.5*R-G 色差算法受光照影响较大,对于苹果图像的相对强光照区域和部分阴影区域不能有效识别;基于光照无关图的苹果表面阴影去除方法对阴影影响下的苹果目标图像分割效果较好,可以克服光照过强的问题,并准确识别出阴影影响下的苹果目标。文中算法的平均假阳性率为17.49%,比Otsu算法降低了52.84%,比1.5*R-G算法降低了26.18%;文中算法的平均重叠系数为86.59%,比Otsu算法提高了47.2%,比1.5*R-G算法提高了11.03%;表明利用光照无关图可以有效地去除苹果表面的阴影,将其应用于阴影影响下的苹果目标的识别是可行的。     

机器人采摘苹果果实的K-means和GA-RBF-LMS神经网络识别

为进一步提升苹果果实的识别精度和速度,从而提高苹果采摘机器人的采摘效率。提出一种基于K-means聚类分割和基于遗传算法(genetic algorithm,GA)、最小均方差算法(least mean square,LMS)优化的径向基(radial basis function,RBF)神经网络相结合的苹果识别方法。首先将采集到的苹果图像在Lab颜色空间下利用K-means聚类算法对其进行分割,分别提取分割图像的RGB、HSI颜色特征分量和圆方差、致密度、周长平方面积比、Hu不变矩形状特征分量。将提取的16个特征作为神经网络的输入,对RBF神经网络进行训练,以得到苹果果实的识别模型。针对RBF神经网络学习率低、过拟合等不足,引入遗传算法对RBF隐层神经元个数和连接权值进行优化,采取二者混合编码同时进化的优化方式,最后再利用LMS对连接权值进一步学习,建立新的神经网络优化模型(GA-RBF-LMS),以提高神经网络的运行效率和识别精度。为了获得更精确的网络模型,在训练过程中,苹果果实连同树枝、树叶一块训练;得到的模型在识别过程中,可一定程度上避免枝叶遮挡对果实识别的影响。为了更好地验证新方法,分别与传统的BP(back propagation)和RBF神经网络、GA-RBF优化模型比较,结果表明,该文算法对于遮挡、重叠果实的识别率达95.38%、96.17%,总体识别率达96.95%;从训练时间看,该文算法虽耗时较长,用150个样本进行训练平均耗时4.412 s,但训练成功率可达100%,且节省了人工尝试构造网络结构造成的时间浪费;从识别时间看,该文算法识别179个苹果的时间为1.75 s。可见GA-RBF-LMS网络模型在运行效率和识别精度较优。研究结果为苹果采摘机器人快速、精准识别果实提供参考。     

苹果采摘机器人快速跟踪识别重叠果实

为解决采摘机器人在运动状态下对重叠果实的识别问题,减少采摘过程处理的时间,对重叠果实的快速跟踪识别进行了研究。首先,对采集到的第1幅图像进行分割并去噪,之后通过计算圆内的点到轮廓边缘最小距离的极大值确定圆心的位置,计算圆心到轮廓边缘距离的最小值确定半径,通过圆心与半径截取后续匹配的模板,经试验证明该算法能较准确地找到重叠果实的圆心与半径。然后,确定连续采集的10幅图像的圆心,根据每幅图像圆心的位置对机器人的运动路径进行拟合、预判、综合半径与预判路径确定下一次图像处理的范围。最后,采用快速归一化互相关匹配对重叠果实进行匹配识别。试验证明,经过改进后的算法匹配识别时间与原算法相比,在没有进行预判的情况下匹配识别的时间为0.185 s,经过预判之后,匹配时间为0.133 s,减少了28.1%,采摘机器人的实时性得到了提高,能够满足实际需求。该研究可为苹果等类球形重叠果实的动态识别提供参考。     

苹果采摘机器人关键技术研究现状与发展趋势

目前国内苹果基本采用人工采摘方式,随着劳动力资源短缺以及机械自动化技术的迅速发展,利用机器人采摘替代人工作业成为必然趋势,开发苹果采摘机器人用于果园收获作业具有重要意义。由于苹果采摘作业环境复杂,严重制约了采摘自动化的发展。目标识别、定位与果实分离是苹果采摘机器人的关键技术,其性能决定了苹果采摘的效率及质量。该文概述了具有市场化前景的苹果采摘机器人发展和应用现状,综述了在复杂自然环境光照变化、枝叶遮挡、果实重叠、夜间环境下以及同色系苹果的识别方法,介绍了多种场景并存的复杂环境下基于深度学习的苹果识别算法,遮挡、重叠及振荡果实的定位方法,并对采用末端执行器实现果实与果树的分离方法进行了分析。针对现阶段苹果采摘机器人采摘速度低、成功率低、果实损伤、成本高等问题,指出今后苹果采摘机器人商业化发展亟需在农机农艺结合、优化识别算法、多传感器融合、多臂合作、人机协作、扩展设备通用性、融合5G与物联网技术等方面开拓创新。     

苹果采摘机器人视觉系统研究进展

视觉系统是苹果采摘机器人最重要的组成部分之一,它在一定程度上决定了苹果采摘机器人完成采摘任务的质量及速度。为明确苹果采摘机器人视觉系统所面临的挑战及未来研究方向,该文首先对世界各国现有苹果采摘机器人的研究情况从视觉传感器类型、视觉系统硬件组成、采摘成功率及作业时间等方面进行了概述,然后分别对现有苹果采摘机器人视觉系统中苹果图像分割方法、受着色度、光照、表面阴影、振荡、重叠及遮挡等影响下的苹果目标的识别与定位方法、苹果采摘机器人视觉系统对枝干等障碍物的识别方法以及视觉系统中双目视觉技术立体匹配问题进行了综述,进一步分析了苹果采摘机器人视觉系统中存在的问题,指出视觉系统结构的优化、视觉系统中智能算法的优化、提高视觉系统的实时性、振荡苹果目标的识别与定位、视觉系统受振动影响时苹果目标的识别与定位及提高视觉系统的性价比等方面将成为未来重点研究方向,为深入研究苹果采摘机器人视觉系统提供参考。     

基于光照无关图的苹果图像识别方法

为了解决苹果采摘机器人的果实识别率在不同光照条件下表现不稳定的问题,该文提出一种基于光照无关图的苹果识别方法。该方法首先采用中值滤波法对苹果图像进行预处理,然后对处理后的彩色图像提取光照无关图,消除光照变化的影响,再采用Ostu阈值分割法进行目标果实的提取。最后通过对苹果图像进行识别试验的结果表明,在4种不同的光照情况下,采用基于光照无关图的识别方法得出的识别率的稳定度是不采用光照无关图的识别方法的3倍,并且其平均识别率也高达90.45%。基于光照无关图的苹果识别方法能够克服光照变化对目标识别带来的负面影     

基于图像特征融合的苹果在线分级方法

苹果在线分级是提升苹果商品化价值的重要环节,需要同时满足分级准确度和速度要求。为进一步提高苹果在线分级效率,该文借助机器视觉技术动态采集苹果传输过程中的实时图像,提出改进的三层Canny边缘检测算法来提取苹果轮廓以克服采集图像中的光线噪声影响,通过分析苹果分级指标,采用判别树对苹果的果径、缺陷面积、色泽等特征进行初步分级判断,并采用粒子群参数优化的支持向量机对果形、果面纹理、颜色分布等特征进行模型构建与分级,最后,通过将两种分级判断结果进行决策融合来实现样本精确分级。同时,采取图像压缩和特征降维方法提高实时性。试验结果表明,基于图像特征决策融合的苹果分级准确率可达到95%,平均分级速率可达到4个/s。研究结果为水果的在线分级提供参考。     

苹果采摘路径规划最优化算法与仿真实现

采摘路径规划对苹果采摘机器人的工作效率有很大的影响,为了提高苹果采摘机器人采摘效率,研究了采摘路径规划最优化方法。将苹果采摘的路径规划问题转化为三维的旅行商问题进行求解,结合图像识别得到的苹果位置特征,提出了有限域信息素自适应更新的改进蚁群算法,避免了基本蚁群算法求解过程中的早熟和局部收敛的问题,研究了三维模型的建模和驱动方法。试验结果表明将蚁群算法用于解决苹果采摘路径规划问题,当苹果数量达到250个时,改进蚁群算法迭代次数是基本算法的25.3%,而搜索到的最优路径是其94.3%,可见改进算法在搜索次数和最优结果上都有明显的优势。本研究为苹果采摘机器人采摘路径规划的提供理论参考。     

基于对比度受限直方图均衡化的水下海参图像增强方法

针对水下图像受到水下复杂光照的影响导致图像对比度差的现象,采用对比度受限自适应直方图均衡化方法(contrast-limited adaptive histogram equalization,CLAHE)对水下海参图像进行增强处理,算法首先将原始图像分割成若干个子区域并且大小相同,再选取特定值对每个子区域的直方图进行截取,并将截取下的像素均匀分配到每个灰度级,最终得到限定对比度直方图。并通过研究算法中的相关参数,得到适用于水下海参图像增强的参数值,取得了更好的增强效果。通过评价函数均方差(mean squared error,MSE),峰值信噪比(peak signal to noise rate,PSNR)和信息熵(information entropy)对比CLAHE方法和其他一些方法,结果显示CLAHE算法在水下海参图像提高质量和保持图像细节方面表现出更好的性能,为以后水下机器人的识别定位提供了方便。