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。     

复杂背景下棉花病叶害螨图像分割方法

为提高棉花害螨图像分割的效果,根据棉花害螨图像的特点,该文提出一种在复杂背景条件下棉花害螨病斑的图像分割方法。首先利用超绿特征2G-R-B提取出复杂背景下彩色图像中的类病斑(具有相同红色的害螨病斑和茎秆)。然后对类病斑区域与非类病斑区域的灰度图像进行二值化处理。最后利用面积阈值法将类病斑中的害螨病斑分割出来。试验结果表明,该算法能有效的提取出棉花害螨病斑,准确率可达97.83%。该研究可为复杂背景下的害螨图像的分割提供参考。     

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。     

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.     

改进自适应分水岭方法分割棉花叶部粘连病斑

针对棉花叶部病斑相互之间存在粘连问题,该文提出了一种自适应分水岭分割方法。该方法在H-minima分水岭分割方法基础上,结合最小二乘圆法误差理论,对图像中每个连通分量进行最小二乘圆拟合,并计算最小二乘圆误差值,通过最小二乘圆误差值大小判断每个连通分量的轮廓不规则度,针对不同轮廓不规则度确定H-minima变换的极小值阈值,根据不同极小值阈值实现棉花叶部粘连病斑的分水岭分割。不同数量粘连病斑分割试验结果表明:该方法实现了棉花叶部粘连病斑数量从2个粘连至5个粘连病斑的自动分割,分割准确率为91.25%,平均运行时间为0.088 s。不同分割方法对比结果显示:该方法能实现对棉花轮纹病、褐斑病、炭疽病、叶斑病和棉铃疫病共5种病害的粘连病斑自动分割,并将距离分水岭分割方法、梯度分水岭分割方法、标记分水岭分割方法、Chan-Vese方法、高斯混合方法与该文方法比较,正确分割率分别为67.8%、36.4%、83.7%、70.3%、82.1%、93.5%,该方法优于其他5种分割方法,有效抑制了过分割问题;在复杂背景、光照不均匀、病斑大小不一致等复杂条件下,该文方法也能较好地实现粘连病斑的分割。该方法不仅能对棉花叶部粘连病斑自动分割,也能为其他作物叶片粘连病斑分割提供参考。     

基于MDMP-LSM算法的黄瓜叶片病斑分割方法

在复杂背景中有效分割作物病斑是解决作物病害识别的关键问题。针对这一问题,该文提出了一种全新的多域多相水平集方法。利用病斑在空间位置上处于叶片轮廓内的特点,构造出基于内部顺序的多相水平集模型。为了加强该模型对复杂背景下作物叶片病斑的分割能力,首次在该模型中引入多个空间域,构造出新的多域多相水平集模型,使内外水平集函数分别在不同空间域中进行演化。试验结果平均分割准确率为93.3%,较好地从复杂背景图片中提取出病斑,为病害诊断奠定了基础。     

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%。     

基于多示例图的小麦叶部病害分割方法

图像分割是作物病害自动识别的难点之一,传统的基于阈值或聚类的分割方法分割精度较低,为了提高作物病害的分割效果,该文提出了一种基于多示例图的分割模型,将作物病害的分割问题转化为在多示例框架下图的分割问题,同时在对作物病害图像分割的过程中引入空间信息,采用像素点信息和邻域信息的融合值形成特征空间,通过在包空间的有效度量方式将多示例学习与图的分割方法有效结合进行小麦叶部病害图像的分割,从而更好地度量示例包的内部差异和示例包之间的差异,同时兼顾了图像的局部信息和全局信息,通过对小麦锈病和白斑病图像的分割试验表明,所提出的模型具有较好的鲁棒性,并且分割效果明显高于传统的分割方法。     

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。     

多尺度融合卷积神经网络的黄瓜病害叶片图像分割方法

黄瓜病害叶片中的病斑区域分割是病害检测与类型识别的关键步骤,分割效果将直接影响病害检测和识别的精度。针对传统方法对于黄瓜病害叶片图像分割精度低和泛化能力弱等问题,提出一种基于多尺度融合卷积神经网络(Multi-ScaleFusionConvolutionalNeuralNetworks,MSF-CNNs)的黄瓜病害叶片分割方法。MSF-CNNs由编码网络(EncoderNetworks,ENs)和解码网络(DecoderNetworks,DNs)两部分组成,其中ENs为一个多尺度卷积神经网络组成,用于提取病害叶片图像的多尺度信息;DNs基于九点双线性插值算法,用于恢复输入图像的尺寸和分辨率。在MSF-CNNs模型训练的过程中,使用一种渐进微调的迁移学习方法加速模型的训练,提高模型的分割精度。在复杂背景下的作物病害叶片图像数据库上进行病害叶片图像分割试验,并与现有的分割方法全卷积网络(FullyConvolutional Networks,FCNs)、Seg Net、U-Net、Dense Net进行比较。结果表明,该MSF-CNNs能够满足复杂环境下的黄瓜病害叶片图像分割需求,像素分类精度为92.38%、平均分割准确率为93.12%、平均交并比为91.36%、频率加权交并比为89.76%。与FCNs、Seg Net、U-Net、Dense Net相比较,MSF-CNNs的平均分割精度分别提高了13.00%、10.74%、10.40%、10.08%和6.40%。使用渐进学习训练方式后,训练时间缩短了0.9 h。该方法为进一步的黄瓜病害检测和识别方法研究提供了参考。     

基于图像的作物病害状态表观三维模拟方法

为了解决病害表观信息难以获取导致的作物病害状态三维模拟困难的问题,该文提出一种基于图像的作物病害状态表观模拟方法。该方法首先利用单张图像提取病斑的形状、颜色以及位置特征,并对其变化过程进行自动推断;基于这些特征信息,对病害的病状以及病症表观进行建模。试验结果表明,该方法可以利用网络中已有的病斑图像对病害侵染导致的作物表观变化进行真实地三维模拟,一定程度上解决病害表观信息缺失的问题,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。     

基于高光谱成像技术的水稻叶瘟病病害程度分级方法

为了快速、准确地对水稻叶瘟病病害程度进行分级评估,结合定性分析与定量估算,提出了一种基于高光谱成像技术的水稻叶瘟病病害程度分级方法。利用HyperSIS高光谱成像系统采集了受稻瘟病侵染后不同病害等级的水稻叶片高光谱图像,通过分析叶瘟病斑区域与正常叶片部位的光谱特征,对差异较大的550和680 nm波段进行二维散点图分析,提取只含病斑的高光谱图像;然后通过主成分分析（principal component analysis,PCA）方法得到利于褐色病斑和灰色病斑分割的第2主成分图像,采用最大类间方差法（Otsu）分割出灰色病斑;最后结合延伸率和受害率2个参数对水稻叶瘟病病害程度进行分级。试验结果表明：测试的166个不同稻叶瘟病害等级的叶片样本中,其中160个样本可被准确分级,分级准确率为96.39%。该研究为稻叶瘟病田间病害程度评估提供了基础,也为稻瘟病抗性鉴定方法提供了新思路。     

基于遗传算法和阈值滤噪的玉米根茬行图像分割

作物行的识别是农业机械视觉导航系统的一项重要研究内容,针对华北一年两熟区玉米利用联合收获机留茬收获后,农田原始图像中背景目标多(行间秸秆、裸露地表等),且背景目标与玉米根茬颜色接近,难以实现玉米根茬行准确快速分割的问题,该文采用RGB颜色空间,以根茬顶端切口为目标,提出了一种基于遗传算法和阈值滤噪的玉米根茬行图像分割方法。首先,为了降低图像分割难度,选取图像中间位置包含一条完整玉米根茬行的矩形区域作为感兴趣区域(region of interest,ROI);然后,利用经过遗传算法优化得到的灰度化算子对ROI进行灰度化,采用单阈值法分割ROI;最后,通过形态学腐蚀处理去除孤立点、毛刺等误分割情况,同时利用基于连通域面积阈值和偏距阈值的滤噪方法滤除根茬行两侧噪声,实现玉米根茬行的有效分割。为评价该分割方法,利用从农业部河北北部耕地保育农业科学观测实验站采集到的200幅玉米根茬行图像进行试验。结果表明:该方法能够较好的适应晴天光照条件变化,从含有裸露地表、玉米行间秸秆等复杂背景下,准确快速地分割出玉米根茬行,平均相对目标面积误差率为24.68%,处理一幅1280像素×1 024像素的彩色图像平均耗时为0.16 s,具有较好的鲁棒性、实时性和准确性。研究结果验证了基于遗传算法和阈值滤噪方法实现玉米利用联合收获机留茬收获后根茬行图像分割的可行性,并为玉米根茬行直线检测提供良好的基础。     

基于多光谱成像技术的大麦赤霉病识别

该文提出了一种根据大麦多光谱图像实时识别大麦赤霉病害的方法。首先利用阈值分割以及形态学的处理算法去除大麦穗图像背景和麦芒干扰信息;其次从预处理后的多光谱图像中提取图像的颜色统计特征;最后将这些颜色统计特征数据经过预处理后应用偏最小二乘法（principal component analysis, PLS）进行模式特征分析,经过交互验证法判别选取最佳的主成分数,输入到最小二乘-支持向量机模型(least square-support vector machine, LS-SVM),建立病害识别模型。经过比较发现多元散射校正处理后,最佳主成分为1的最小二乘支持向量机模型对病害的识别准确率最高,达到93.9%。表明利用多光谱成像信息可对大麦赤霉病进行准确识别,为植物病害监测与防治提供了一条新方法。     

基于离散余弦变换和区域生长的白粉虱图像分割算法

图像分割是病虫害自动识别的难点之一,目前大多基于颜色、纹理等信息采用阈值法或聚类法进行分割,简单,易实现,但分割精度较低。该文针对田间开放环境中,不能用颜色、纹理特征有效分割病虫害图像的问题,引入离散余弦变换(discrete cosine transform,DCT),提出用清晰度对病虫害图像进行分割,以提高分割精度。DCT的低频信号表示图像轮廓,高频信号表示图像细节,对于病虫害图像,焦点通常聚集在目标区域,该文提出截断DCT高频信号,再与原图做差的方法以区分清晰部分和模糊部分,然后结合病虫图像局部聚合度较高的特性,利用区域生长方法提取完整目标。采用该算法对白粉虱图像进行分割测试,并与阈值法和GMM方法比较:分割结果中,目标的一致性和边缘的清晰度明显好于阈值法和GMM方法,平均正确分类率为98.49%,分别较R,B,Y空间中阈值法和Y空间中GMM方法分类正确率高2.96%、3.28%、3.24%和9.65%,差异达到显著水平。基于DCT和区域生长的分割算法鲁棒性高,能够有效地将病虫害区域从自然环境中采集的叶片中分离,可用于分割白粉虱图像。     

基于水平集的作物病叶图像分割方法

针对具有复杂背景的作物病叶图像中的叶片提取问题,提出了一种基于先验信息的水平集模型。首先,在LBF模型中引入纹理信息——结构张量,构造新的水平集模型;其次,采用水平集方法表示目标叶片形状,并将先验形状信息以能量泛函的表达形式引入到上述新的水平集模型中,得到新的基于先验信息的水平集模型;最后,利用该模型对具有复杂背景的黄瓜病叶图像进行分割。结果表明,该方法能准确地提取具有复杂背景黄瓜病叶图像中的病叶,为后续的病斑提取、识别和诊断奠定前期基础。     

基于K_means硬聚类算法的葡萄病害彩色图像分割方法

为了提高植物病害图像的分割精度与效果,根据植物病害症状及图像的特点,提出了一种基于K_means硬聚类算法（HCM）的葡萄病害彩色图像非监督性分割处理方法。该方法是在L*a*b*颜色空间模式下利用ab二维数据空间的颜色差异,以平方欧式距离作为像素间的相似度距离、以均方差作为聚类准则函数对颜色进行二分类聚类,并通过数学形态学运算对聚类结果进行校正。利用该方法对3种葡萄病害彩色图像进行分割的结果表明,该方法能够较为准确地将病斑区域从彩色图像中分割出来,对葡萄病害彩色图像的分割处理比较理想,鲁棒性好,分割准确率     

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。     

基于数码相机的水稻冠层图像分割及氮素营养诊断

利用数码相机对作物进行快速准确的营养诊断,需要对图像中作物冠层部分与非冠层部分进行有效的分割。该文依据绿色植被和土壤在可见光区域反射光谱的差异,提出了根据数字图像绿色通道和红色通道差值的大小设定阈值对图像进行分割的方法。阈值设定为10～20之间时对水稻冠层图像有较好的分割效果,拔节期和孕穗期获得最佳图像分割效果的阈值分别为10与20。分割后图像中提取的特征参数与SPAD值、叶片含氮量等指标间具有良好的相关关系,其中红光标准化值NRI与两者间的相关系数达到-0.87和-0.65。该方法能准确地分割水稻冠层图像,且简便易行,对绿色植被的图像分割具有普适性,有较高应用价值。