基于图像特征点粒子群聚类算法的麦田作物行检测

为了快速准确地提取麦田作物行中心线,提出了基于图像特征点粒子群聚类算法的麦田作物行检测。首先,对自然光照下获取的彩色图像运用"过绿颜色因子图像灰度化"、"Otsu图像二值化"、"左右边缘中间线检测提取作物行特征点算法"3步对图像进行预处理。然后,根据农田作物行中心线周围区域的特征点到该直线的距离均小于某一距离阈值的特征,运用粒子群优化算法对每一作物行的特征点分别进行聚类。最后,对每一类的特征点用最小二乘法进行直线拟合获取麦田作物行中心线。试验结果表明,该算法可以对作物断行、杂草、土块等复杂农田环境下的图像进行有效地作物行检测,识别率达95%,识别误差小于3°。与标准Hough算法相比,运行速率提升了一倍。该文可为实现农业机器人田间作业提供参考。     

基于小波变换的稻米爆腰检测技术研究

稻谷裂纹(俗称爆腰)是导致大米在加工过程中破碎的重要原因，爆腰的检测对裂纹的研究和控制有重要意义。本文提出了一种新的爆腰检测方法。它利用小波变换在图像边缘提取和去噪中的优越性，通过对二进尺度下图像小波变换局部极大值的检测，提取边缘特征，去除噪声，对糙米爆腰图像中的裂纹进行了有效识别。从而实现爆腰率的自动检测，准确率达到92%以上。与传统的检测算子相比，取得了更为良好的效果。     

基于区域生长顺序聚类-RANSAC的水稻苗带中心线检测

为提高水稻苗带中心线检测的适应性和实时性,满足巡田机器人导航的低成本、轻量级计算、高实时性需求,针对水稻苗带中心线检测结果容易受到光照变化和机器震动等原因产生图像噪声影响的问题,该研究以返青期和分蘖初期水稻秧苗为研究对象,提出基于区域生长顺序聚类-随机抽样一致性算法（random sample consensus,RANSAC）的水稻苗带中心线检测方法。首先,对采集的水稻秧苗图像运用归一化超绿特征法（excess green,ExG）和最大类间方差法（Otsu）分割水田背景和秧苗区域,应用先腐蚀后开运算的形态学方法去除秧苗图像噪声点;然后,采用基于水平带的秧苗轮廓质心检测方法提取秧苗特征点,利用区域生长顺序聚类方法将同一秧苗行的特征点聚成一类;最后,通过RANSAC算法拟合苗带中心线,从而得到巡田机器人视觉导航基准线。试验结果表明：该方法对返青期和分蘖初期水稻苗带中心线检测率均在97%以上,比已有YOLOv3算法提高6.12个百分点,比基于区域生长均值漂移聚类算法降低2.41个百分点;平均误差角度为2.34°,比已有YOLOv3算法高1.37°,比基于区域生长均值漂移聚类算法低0.12...     

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.     

采用K均值聚类和环形结构的狭叶锦鸡儿木质部提取算法

针对木质部交互统计误差大、效率低、重现性差、劳动强度高和传统图像处理算法精度不理想等问题,该文以狭叶锦鸡儿木质部切片图像为研究对象,根据木质部特点提出基于K均值聚类算法和环形结构提取算法相结合,实现木质部准确提取的方法。首先通过动态巴特沃斯同态滤波法对30幅供试图像进行光照不均校正,然后采用K均值聚类法对光照补偿后图像初分割,最后采用环形结构提取算法实现木质部提取计数。试验结果表明:采用K均值聚类算法对光照补偿后的木质部图像初分割分割误差R(section error, R)、过分割误差OR(over-segmentation error, OR)和欠分割误差UR(under-segmentation error, UR)均值分别为5.15%、1.48%和6.46%,优于未光照补偿和3R-G-B算法;该文提出的环形结构提取算法对初分割后木质部图像检测的平均相对误差为2.26%,比分水岭法低11.69个百分点,比凹点匹配法低4.93个百分点。从速度上看,该算法平均耗时3.17 s,比分水岭法快1.40 s,比凹点匹配法快4.88 s。该算法检测的均方根误差RMSE(root mean squared error, RMSE)为0.52%,约相当于分水岭法的1/3,约相当于凹点匹配法的1/2,该算法优于其他2种分割算法;在图像结构复杂、光照不均匀、内部分布不均等缺陷条件下,该文算法也能很好地实现木质部的分割和提取。该方法不仅能对狭叶锦鸡儿木质部自动分割和提取,也可为其他植物木质部分割提取提供参考。     

采用双目视觉和自适应Kalman滤波的作物行识别与跟踪

针对传统作物行识别方法在相邻图像间的识别结果偏差较大,作物行的定位精度和稳定性低等问题,该研究提出一种基于双目视觉和自适应Kalman滤波技术的作物行识别与跟踪方法。对于作物行识别,首先建立图像预处理算法,基于改进的超绿-超红模型和最大类间方差法分割植被灰度特征;建立作物行特征提取算法,基于特征点检测技术和双目视差测距方法计算植被角点特征的三维坐标,根据三维阈值提取作物行特征点,进而建立作物行中心线检测算法,建立基于主成分分析的直线拟合模型,根据作物行特征点的频数统计规律检测作物行冠层中心线。对于作物行跟踪,建立跟踪目标规划模型,提取位于图像中央区域的作物行作为跟踪目标;建立目标状态方程,基于自适应Kalman滤波技术构建作物行中心线跟踪模型。以棉花图像开展试验研究,图像数据包括阴影、杂草、地头等田间场景。试验结果表明,该研究方法的作物行识别准确度、精度和速度均较高,识别正确率约为92.36%,平均航向偏差为0.31°、标准差为2.55°,平均识别速度约80.25 ms/帧;经目标跟踪后,航向角和横向位置估计的标准差分别为2.62°和0.043 m、较无跟踪状态分别减小22.94%和10.42%,作物行中心线的方位估计精度进一步提高。研究成果可为导航系统提供连续、稳定的作物行导引参数。     

Harris角点自适应检测的水稻低空遥感图像配准与拼接算法

图像配准和拼接的自动化是微小型无人机能否被广泛应用于水稻长势低空遥感监测的关键技术之一。为了改进Harris角点检测算法中阈值需要人为设定的局限,文章提出了基于Harris角点自适应检测的水稻低空遥感图像配准与拼接算法。该算法在Harris角点检测算法的基础上进行改进,采用基于图像像素灰度值标准差标准化的方法进行角点的自适应确定,并对角点进行特征描述,利用角点特征描述算子之间的欧式距离进行配准。为了验证算法的有效性并进行相关参数的优化,采用多旋翼无人直升机获取了水稻长势的低空遥感图像,并设计了重复率(衡量角点检测的稳定性)、辨识率(衡量角点描述算子的辨识度)、配准率(衡量图像的拼接精度)以及运行时间(衡量算法的运算速度)4个评价指标对配准与拼接的结果进行评判。随机选取获得的低空遥感图像分成3组进行测试,试验结果表明,平均配准率达到了98.95%,且各组图像之间的重复率与配准率差异不显著(显著性水平为0.05),说明改进后的算法稳定。设计了角点自适应检测算法阈值参数的优选试验,阈值参数为标准化处理后的图像像素灰度值标准差,方差分析结果表明,图像像素灰度标准差为1和2时配准率的差异不显著(显著性水平为0.05),但当图像像素灰度标准差为1时,图像配准与拼接平均运行时间是其为2时的2.5倍,因此,可设定图像像素灰度标准差为2作为本算法的较优参数。     

基于彩色模型和近邻法聚类的水田秧苗列中心线检测方法

水田秧苗列中心线的检测是实现水田除草机器人自主导航的重要保证。在秧苗的不同生长时期,秧苗形态各不相同;并且在南方地区的水田中经常会出现的绿色浮萍、蓝藻,它们的颜色与目标秧苗非常接近,这给秧苗的分割以及列中心线的检测带来很大的困难。针对这些问题,提出一种基于彩色模型和近邻法聚类实现秧苗列中心线的检测方法。首先,基于彩色模型即2G-R-B模型(2Green-Red-Blue)和HSI(Hue,Saturation and Intensity)彩色空间中提取S分量提取秧苗灰度特征;然后,在保持秧苗原有形状的前提下提取秧苗特征点,获得秧苗特征点图像;最后,基于近邻法利用特征点间的邻近关系对特征点进行聚类,采用基于已知点的Hough变换(known point Hough transform)提取秧苗列中心线。试验表明:提出的方法能够在图像中存有绿色浮萍、蓝藻等噪声情况下准确提取秧苗灰度特征,平均每幅真彩色图像(分辨率:1280×960)整个流程所需时间小于350ms,并能够适应自然光线变化。提出的方法能够适应环境的变化,满足机器人实时性要求。     

基于高光谱图像及深度特征的大米蛋白质含量预测模型

为了充分挖掘高光谱图像的光谱信息和图像信息,实现大米中蛋白质含量的无损检测,该文提出一种堆叠自动编码器(stackedauto-encoder,SAE)提取高光谱图像深度特征的方法,在高温(45℃)高湿(95%相对湿度)条件下对市售大米进行放置处理,以6组不同放置时间(0,24,48,72,96和120h)共420个大米样本(每组70个)为对象,利用可见光/近红外高光谱成像仪采集高光谱图像(400～1 000 nm,共478个波段),采用阈值分割法获取样本高光谱图像掩膜,分别提取掩膜后高光谱图像感兴趣区域(region of interest,ROI)的平均光谱信息和图像信息。应用多项式平滑(savitzky-golay,SG)对获取的光谱曲线进行预处理,利用SAE提取光谱深度特征,采用支持向量机回归(support vector regression,SVR)建立预测模型,结果表明训练集决定系数RC2、训练集均方根误差RMSEC、预测集决定系数RP2和预测集均方根误差RMSEP分别为0.976 2、0.068 6 g/(100 g)、0.939 2和0.115 3 g/(100 g)。将图像尺寸统一为28像素?28像素的灰度图并扁平化处理,利用SAE提取图像深度特征,结果表明RC2、RMSEC、RP2和RMSEP分别为0.915 4、0.051 0 g/(100 g)、0.821 0和0.111 8 g/(100 g)。进一步融合光谱信息和图像信息,结果表明RC2、RMSEC、RP2和RMSEP分别为0.971 0、0.077 2 g/(100 g)、0.964 4和0.085 1 g/(100 g),相较于光谱信息,RP2提升幅度2.68%;相较于图像信息,RP2提升幅度17.47%。研究表明,充分挖掘大米样本高光谱图像中的光谱信息和图像信息并进行融合,利用SAE提取光谱-图像融合深度特征,可有效提高模型的预测精度,为大米蛋白质含量无损检测提供了理论依据,具有良好的应用前景。     

基于MFICSC算法的生菜图像目标聚类分割

生菜图像目标分割是基于图像处理的生菜生理信息无损检测的前提。为了解决因生菜富含水分使得图像采集镜头反光而导致生菜叶片图像灰度分布不均的问题,该文采用一种修正的图像灰度均衡算法对生菜图像进行灰度均衡处理,应用混合模糊类间分离聚类算法(MFICSC)进行生菜图像目标分割,使总体类间距离最大化,能够同时生成模糊隶属度和典型值,对处理噪声数据和克服一致性聚类问题均表现良好。分别采用MFICSC算法和Otsu算法进行了生菜图像目标分割对比试验,结果表明MFICSC算法具有较好的聚类准确度,效果优于传统Otsu分割算法。     

基于软X射线成像的储粮害虫米象生长阶段检测

为了准确检测单粒小麦内部是否感染米象（Sitophilus oryzae），利用软X射线成像检测技术对感染不同生长阶段米象的小麦颗粒进行成像，试图通过图像分析来确定小麦内部米象的幼虫、蛹和成虫等不同生长阶段，并利用随机重复来评价结果可靠性。通过对被感染米象虫卵不同天数小麦的图像分析发现，图像灰度分布直方图随感染天数变化明显，低灰度值区域（灰度值为10～102）的灰度区域像素点随感染天数增加而减少，中灰度（灰度值为103～162）和高灰度区域（灰度值为163～232)则随感染天数增加而增多。使用包括图像灰度分布和纹理特征等47个特征值，利用线性判别分析（Linear Discriminant Analysis，LDA）与二次判别分析（Quadratic Discriminant Analysis，QDA）建立判别模型，并通过多次随机重复抽样（1 000次）对模型预测效果进行评估分析。结果表明：在95% 置信区间下，在感染与未感染小麦的分类判别中，LDA的判别准确率都在76%以上，除幼虫外生长阶段判别正确率达到95%以上；而QDA的平均判别准确率较低且判别误差也相对较高。因此，该研究使用基于随机重复的LDA判别小麦是否受到米象感染和区分不同生长阶段是准确可靠的。     

厚度和重力分选稻谷籽粒的品质特性分析

为达到从稻谷籽粒厚度和密度大小来均匀化其品质的目的,对稻谷进行了厚度分选和厚度分选后再进行重力分选加工。结果表明,收获稻谷含水率小于20%后,含水率不同的籽粒无法通过厚度和重力分选加工获得;分选后稻谷籽粒厚度和密度越大,籽粒的加工品质、物理化学、特性糊化特性等都相对较优;同时稻谷籽粒的密度越大,其加工破碎率越低,所能承受的最大三点弯曲作用力越大。因此厚度和重力分选具有使稻谷籽粒按照其内部品质分级和品质均匀化的作用,增加稻谷籽粒的品质附加值。     

基于玻璃化转变的稻谷爆腰产生机理分析

稻谷爆腰是造成碎米的主要原因之一,为此,人们一直在探讨产生稻谷爆腰的机理.介绍了一种新的稻谷爆腰机理--基于玻璃化转变的稻谷爆腰机理.根据该机理分析了稻谷干燥和缓苏过程中爆腰的产生原因.基于玻璃化转变的稻谷爆腰机理,干燥过程中,当稻谷颗粒由外表向里形成玻璃态时,颗粒内部形成玻璃态和橡胶态两个部分.由于玻璃态和橡胶态的弹性模量和膨胀系数有很大的差别,因此在一定水分梯度条件下,银纹(微裂纹)从两者交界处产生,并可能进一步扩展成爆腰.稻谷缓苏过程中,颗粒内部如果存在橡胶态区,则其不同含水率部分就会在不同水分梯度下分别进入玻璃态,如果此时水分梯度足够,就会引起各部分不均匀收缩和各不相同的应力、应变,这样使玻璃态层产生大量银纹,银纹持续生长即产生爆腰.最后,介绍了两种控制稻谷爆腰的干燥工艺--变温干燥工艺和高温干燥工艺.     

基于近邻法聚类和改进Hough算法的猪胴体背膘厚度检测

为了解决猪胴体背膘厚度在人工测量中准确率、效率低以及存在对样本造成污染的问题,该文基于计算机视觉和图像处理技术提出一种检测背膘厚度的算法。算法主要分成背膘部分检测和测量部位的直线检测。前者通过图像分割、特征点的检测以及漫水填充等方法实现,能准确提取猪胴体背膘部分。后者在图像预处理后,首先通过感兴趣区域(region of interest,ROI)提取猪胴体肋排区域;然后利用设定好的浮动窗口进行全幅图像的扫描,通过平滑后的平均灰度线特征提取肋骨的目标像素点;最后,基于近邻法利用目标像素点间的邻近关系对其进行聚类,找到胴体第6、7根肋骨,并采用基于已知点的Hough变换提取测量直线,将测量部位的直线映射到背膘部分,则可实现对猪胴体背膘厚度准确测量。试验结果表明,在对背膘厚度测量误差小于2 mm时,检测准确率可达92.31%,该文提出的方法能对猪胴体背膘厚度的测量位置进行准确定位和测量。     

基于显微图像处理的稻瘟病菌孢子自动检测与计数方法

稻瘟病菌孢子的检测通常在显微镜下由人工目测完成,该方法费时、费力、自动化程度低。因此,该研究提出了一种基于显微图像处理技术的稻瘟病菌孢子自动检测和计数方法。首先,采用显微图像系统获取稻瘟病菌孢子图像;然后提出一种分块背景提取法对其进行光照校正;根据显微图像中孢子的边缘特征,利用Canny算子进行边缘检测,其中Canny边缘检测过程中的阈值应用模糊C均值算法在梯度图上自动确定;接着对边缘检测后的二值图像进行数学形态学闭开运算处理。根据孢子和主要杂质的形态特征,利用椭圆度、复杂度和最小外接矩形宽度等形态特征参数对目标物进行分类,提取只含孢子的二值图像。最后,提出了基于距离变换和高斯滤波的改进分水岭算法对粘连孢子进行分离。测试结果表明:在100幅测试的显微图像样本中,孢子检测的平均准确率为98.5%,满足稻瘟病菌孢子自动检测和计数要求。     

基于光切法的葡萄硬枝嫁接切削面粗糙度图像检测算法

为了实现葡萄硬枝嫁接苗木切削面粗糙度的检测,该文基于光切法测量原理,搭建了切削面粗糙度图像检测系统,研究了特征提取的图像检测算法。为获取较长的取样长度,采用了图像拼接技术,并提出了一种自动制取匹配模板的方法,拼接算法测试结果表明:每多拼接一幅粗糙度特征图像,运行时间平均增加1.104 s,取样长度平均增加1 131.77μm;采用了模糊集合理论对拼接后的粗糙度特征图像进行灰度变换,可以有效保证图像分割后单侧边缘的完整;采用了人机交互的方式对粗糙度特征二值图像像素进行区域操作,可以滤除因切削面自身含有的导管腔、管胞腔而导致的缺陷轮廓,从而提高粗糙度计算的准确度;提出了一种逐列遍历图像提取单侧边缘的方法,通过对单侧边缘进行计算,可以得到粗糙度高度参数Ra与Rz的值。将该粗糙度图像检测算法与基恩士VK-X200形状测量激光显微系统进行了粗糙度检测对比试验,结果表明,该文提出的粗糙度图像检测算法测得Ra的相对误差为6.73%,在测量误差允许范围内,该文基于光切法测量原理的图像检测算法,用于检测葡萄硬枝嫁接苗木切削面粗糙度,具有较高的精度和良好的可行性,为进一步研究切削参数对切削面粗糙度以及对苗木嫁接成活率的影响提供了技术支撑。     

基于序列图像三维重建的稻种品种识别

利用机器视觉技术识别稻种表面形态,从而识别种子纯度,可以为种子品质确定提供一种快速精确的技术方法。该文应用序列图像聚焦测度法进行了稻种三维重建,在稻种的品种识别中,将三维特征作为识别依据,相对传统方法仅采用二维图像特征作为识别手段,具有稻种形态测量参数值更精确,外观特征及缺陷表达更全面的优势。该方法通过分析显微镜平台获取的多幅不同对焦距离的图像序列,计算聚焦测度和焦点深度值。结合序列图像聚焦测度法与表面纹理重现,实现稻种形态表面三维重建。通过构造BP神经网络模型,利用测量所得三维立体特征值进行稻种的品种识别,筛选适合稻种检测的BP神经网络算法。试验结果表明,序列图像方法应用于稻种三维重建,其测量精度可达到5μm,将测量所得的三维特征值作为参数进行5个稻种的品种识别,识别率在90%以上。该研究可为农作物品种识别中三维形态及纹理特征的研究提供参考。     

基于Micro-CT图像处理的稻谷内部损伤定量表征与三维重构

在水稻脱粒、储运、加工过程中,外界机械作用力是造成稻谷损伤破损的主要方式,造成的内部裂纹肉眼无法观察但影响稻谷的存储、加工以及种子的发芽率等.该文利用质构仪对稻谷进行挤压力学特性试验,分析稻谷损伤破碎过程;对受不同载荷的稻谷进行CT扫描试验,结合数字图像处理方法对稻谷进行损伤表征分析与三维重构,旨在提出一种新的稻谷内部损伤定量评价方法.结果表明:伪彩色图像处理可以提高CT图像的视觉分辨率;灰度值以及灰度直方图分析可以识别稻谷的胚、胚乳以及裂纹大小,并定量分析;对分割后的二值图像进行像素点统计分析得到80,100,120,140,160N载荷下的损伤度分别为0,0.26%,0.39%,0.93%,1.79%;重构的三维模型可以看出裂纹一般沿着短轴方向扩展,随着载荷增大,原有裂纹逐渐变宽,并产生新的沿着长短轴的混合裂纹,直到糙米断裂.该研究可为谷物内部损伤定量表征分析提供新思路.     

基于胚部区域特征的麦粒姿态自动识别

麦粒姿态的自动判别,是近红外高光谱成像系统自动检测多姿态麦粒内部虫害的前提。依据麦粒目标在最优波长图像中的坐标、重心等信息,从高光谱数据立方体中自动分割出单个完整麦粒的子图像。利用麦粒胚部端粗糙度较大的原理,依据纹理、不变矩、均值等13个可能胚部区域特征的判别正确率,确定不变矩4为判别麦粒胚部区域的有效特征。针对麦粒胚部区域,提取梯度图像和二值图像的26个特征,利用人工鱼群算法选择出延伸率、胚部区域对称度、延伸率等13个特征。选取1 200个样本进行训练,600个样本进行检验,利用最大离差法自动确定13个特征的模糊权重,麦粒3个姿态可拓分类的正确识别率为94.5%,证实了基于局部区域特征的麦粒姿态自动识别的可行性。