复杂背景下甜瓜果实分割算法

为解决复杂背景下甜瓜果实与背景图像分割的问题,该文提出了一种融合颜色特征和纹理特征的图像分割算法。首先,把采集到的甜瓜果实图像从RGB色彩空间分别转换到CIELAB和HSV色彩空间,应用a*b*分量建立角度模型,根据甜瓜果实的颜色特点选取阈值并对图像作二值化处理;为降低光照分布不均匀对图像分割的影响,采用HSV空间的HS颜色分量对果实图像进行阈值分割。在以上2种色彩空间分割的基础上,融合角度模型分割和HS阈值分割的结果,得到基于颜色特征的分割结果。然后,再按照图像的纹理特征对图像进行分割处理,融合按照颜色特征和纹理特征的分割结果。最后,为解决分割结果中的分割误差和边缘毛刺问题,以颜色特征分割的果实区域为限定条件,对按照融合特征分割的果实区域进行约束性区域生长,得到最终的图像分割结果。为了对该文提出算法的分割效果进行检验,采用超绿阈值分割算法和归一化差异指数算法(NDI)对试验图像进行分割,3种算法的平均检出率分别为83.24%、43.12%、99.09%。对比3种分割算法的检出率和误检率,可以看出,该文提出的算法试验结果明显优于超绿阈值分割算法和归一化差异指数(NDI)分割算法。     

基于改进实例分割算法的智能猪只盘点系统设计

基于图像处理的动物资产计数方法,不仅可以减少人工投入,还可以缩短生物资产的计数周期,但该方法受光照条件影响严重,并且当动物间相互挤压、遮挡时,计数精度较差。针对这些问题,该研究提出了一种基于图像实例分割算法的生猪计数网络。针对光照和目标边缘模糊问题,利用拉普拉斯算子进行图像预处理。对Mask R-CNN网络的特征提取网络进行改进,在原始特征金字塔网络（Feature Pyramid Network, FPN）后面增加一条自底向上的增强路径,直接将低层边缘位置特征与高层特征相融合,提高对目标边缘轮廓的识别能力,对非极大值抑制过程和损失函数进行优化和改进,以提高分割精度。在河北丰宁、吉林金源和内蒙古正大3个试验猪场进行测试,验证本文网络的计数精度。采集设备在3个试验猪场共采集2 400张图像,经图像预处理去除模糊和光线差的图像,从剩余的图像中随机选取共1 250张图像作为原始数据集,其中丰宁猪场500张、金源猪场500张,正大猪场250张。将各猪场的原始数据集分别按2:2:1的比例分为3部分,包括训练集905张,验证集95张,测试集250张,对原始训练集和验证集进行数据增强,最终得到训练集图像1 500张,验证集图像150张,测试集图想250张。河北和吉林的试验猪场,每栏猪只数目为12～22头,各测试100张图像,完全准确清点的图像比例分别为98%和99%,满足实际应用要求。内蒙古试验猪场的单栏猪只密度大,每栏猪只数目平均80头,测试50张图像,完全准确清点的图像比例为86%。该研究所提出的猪只盘点系统,通过修改网络增强图像中目标特征信息提取和优化边界框回归过程,减少由于光线差和遮挡导致的目标漏检情况,解决了基于图像分割算法的猪只盘点中光照、模糊以及遮挡等问题,能够满足单栏饲养密度为1.03～1.32头/m2的养殖场的猪只盘点需求。     

基于改进YOLOv3的果园复杂环境下苹果果实识别

为使采摘机器人能够全天候在不同光照、重叠遮挡、大视场等果园复杂环境下对不同成熟度的果实进行快速、准确识别,该研究提出了一种基于改进YOLOv3的果实识别方法。首先,将DarkNet53网络中的残差模块与CSPNet（Cross Stage Paritial Network）结合,在保持检测精度的同时降低网络的计算量;其次,在原始YOLOv3模型的检测网络中加入SPP（Spatial Pyramid Pooling）模块,将果实的全局和局部特征进行融合,提高对极小果实目标的召回率;同时,采用Soft NMS（Soft Non-Maximum Suppression）算法代替传统NMS（Non-Maximum Suppression）算法,增强对重叠遮挡果实的识别能力;最后,采用基于Focal Loss和CIoU Loss的联合损失函数对模型进行优化,提高识别精度。以苹果为例进行的试验结果表明：经过数据集训练之后的改进模型,在测试集下的MAP（Mean Average Precision）值达到96.3%,较原模型提高了3.8个百分点;F1值达到91.8%,较原模型提高了3.8个百分点;在GPU下的平均检测速度达到27.8帧/s,较原模型提高了5.6帧/s。与Faster RCNN、RetinaNet等几种目前先进的检测方法进行比较并在不同数目、不同光照情况下的对比试验结果表明,该方法具有优异的检测精度及良好的鲁棒性和实时性,对解决复杂环境下果实的精准识别问题具有重要参考价值。     

基于混沌优化K均值算法的马铃薯芽眼的快速分割

为提高芽眼分割的准确性,该文实现了基于混沌优化K均值算法的马铃薯芽眼的快速分割。K均值算法具有有效性及易于实现的优点,但是容易陷入局部最优值的缺点造成了其聚类结果的不准确。混沌系统由于其遍历性和不重复性,能够以较快的速度执行全局搜索。该文提出的算法的主要思想就是将混沌变量映射到K均值算法的变量中,用混沌变量代替其寻找全局最优值。分割试验结果表明:该文提出的算法,不仅在分割准确性上优于当下流行的K均值算法和模糊C均值算法,而且在运行时间上也更胜一筹,K均值算法和模糊C均值算法分割一幅马铃薯芽眼的图像所需的平均时间分别为2.895 5 s和3.556 4 s,而该文提出的算法仅需1.109 s。当聚类数大于3时,该文提出的算法在运行时间上受聚类数目的影响非常小,这一特点可用于其他一些适合聚类数大于3的农作物上。试验结果还表明,对于该文中的样本,最佳聚类数不宜超过3。最后,精度试验验证了该文提出的算法能够对样本中的马铃薯芽眼实现完全,无遗漏的分割,总的分割精度为98.87%,其中,对正常的马铃薯芽眼分割精度可达100%,对特殊马铃薯的芽眼分割精度为91.67%,总体分割精度较好。因此,该文提出的算法能够为后续种薯的自动切块提供参考。     

基于空间特征谱聚类算法的含噪苹果图像优化分割

为了减少噪声对苹果采摘机器人的目标识别所带来的影响,对含噪苹果图像的分割方法进行了研究。该研究设计一种针对噪声具有鲁棒性的苹果图像分割方法,首先计算苹果图像的三维空间特征点的紧致性函数,用以构造邻近点的相似矩阵实现苹果图像的去噪效果;再利用离群点矩阵拆分并由其他剩余列向量线性表示,对相似矩阵进行离群点调优实现聚类优化,进而提出基于空间特征的谱聚类含噪苹果图像分割的优化算法,旨在提高分割算法的效率和识别准确率。通过对两幅苹果图像添加不同程度的高斯和椒盐噪声（方差分别为0.01、0.05和0.1的高斯噪声和概率为0.01、0.05和0.1的椒盐噪声）进行试验,分别求出谱聚类方法、基于空间特征的谱聚类方法和该文优化方法的苹果目标图像的分割图,并计算三类方法的分割准确率。该文优化方法对于单个苹果受不同噪声影响下的分割准确率均在99%以上,对于重叠苹果的分割准确率均在98%以上,对于所选取的30幅苹果图在方差为0.05的高斯噪声和概率为0.01的椒盐噪声影响下的平均分割准确率为99.014%。结果表明：谱聚类方法受噪声的影响较大;基于空间特征的谱聚类方法的分割效果受噪声的影响较小,但在边界区域仍然有很多错分的像素;优化方法在边界区域的分割要优于基于空间特征的谱聚类方法;在设定的试验条件下,其分割结果准确率相对于基于空间特征的谱聚类方法和传统的谱聚类方法可分别提高5%～6%和9%～25%。在分割效率方面,该文优化方法的分割时间低于传统的谱聚类算法,且与基于空间特征谱聚类方法接近。研究结果为苹果采摘机器人的快速目标识别提供参考。     

基于颜色特征的绿色作物图像分割算法

绿色作物的识别是农业机械视觉系统的重要研究内容之一,该文采用RGB颜色系统,基于统计分析提出了一种绿色作物图像分割方法。从简单物体光照颜色模型方面,分析了RGB颜色空间中作物绿色“恒量”（Gvalue>Rvalue and Gvalue>Bvalue）的存在性,构建了作物图像分割相对错误率评估模型。并与传统颜色索引方法Excess Green (ExG)+auto-threshold进行了对比分析。试验结果表明,在正常光照条件下：1）采用的算法对田间不同作物-土壤组图像分割的相对错误率均有显著影响;其中,相对ExG+auto-threshold算法,采用RGB算法的结果图像中大多能保留油菜、大豆和甘蔗的形态学特征;2）采用的算法、光照变化以及算法与光照变化的交互作用均对室外美人蕉图像分割的相对错误率有显著影响;其中,相对ExG+auto-threshold算法,采用RGB算法的结果图像中大多能去除背景噪声。单因子方差分析进一步表明,光照变化对采用ExG+auto-threshold算法分割图像的阈值有显著影响。该文提出的RGB算法相对传统的ExG+auto-threshold绿色索引,对于早期生长的绿色作物是一种有效、简单的图像分割方法,对作物-土壤、光照变化不敏感。     

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。     

基于凸壳的重叠苹果目标分割与重建算法

重叠苹果目标的分割与定位是影响苹果采摘机器人采摘效率的关键因素之一。为了实现重叠苹果目标的分割与重建,在利用K-means聚类分割算法的基础上,该文提出一种基于凸壳的重叠苹果目标分割方法。通过计算目标凸包与目标相减后的凹区域,将重叠苹果轮廓上的凹点检测转换为凹区域上的凸点检测问题,降低了凹点检测的复杂度。利用相关分割准则实现了凹点匹配并进行目标分割,对分割得到的非完整目标利用Spline插值技术进行目标重建。为了验证算法的有效性,分别利用仿真目标与自然场景下的重叠苹果目标进行了测试,利用该方法得到的苹果目标平均定位误差为14.15%,平均目标重合度为85.08%,表明基于凸壳技术的重叠苹果目标分割方法具有较好的分割性能,将该方法应用于重叠目标分割与重建是有效可行的。     

改进Mask R-CNN的温室环境下不同成熟度番茄果实分割方法

基于深度神经网络的果实识别和分割是采摘机器人作业成功的关键步骤,但由于网络参数多、计算量大,导致训练时间长,当模型部署到采摘机器人上则存在运行速度慢,识别精度低等问题。针对这些问题,该研究提出了一种改进Mask R-CNN的温室环境下不同成熟度番茄果实分割方法,采用跨阶段局部网络（Cross Stage Partial Network,CSPNet）与Mask R-CNN网络中的残差网络（Residual Network,ResNet）进行融合,通过跨阶段拆分与级联策略,减少反向传播过程中重复的特征信息,降低网络计算量的同时提高准确率。在番茄果实测试集上进行试验,结果表明以层数为50的跨阶段局部残差网络（Cross Stage Partial ResNet50,CSP- ResNet50）为主干的改进Mask R-CNN模型对绿熟期、半熟期、成熟期番茄果实分割的平均精度均值为95.45%,F1分数为91.2%,单张图像分割时间为0.658 s。该方法相比金字塔场景解析网络（Pyramid Scene Parsing Network,PSPNet）、DeepLab v3+模型和以ResNet50为主干的Mask R-CNN模型平均精度均值分别提高了16.44、14.95和2.29个百分点,相比以ResNet50为主干的Mask R-CNN模型分割时间减少了1.98%。最后将以CSP- ResNet50为主干的改进Mask R-CNN模型部署到采摘机器人上,在大型玻璃温室中开展不同成熟度番茄果实识别试验,该模型识别正确率达到90%。该研究在温室环境下对不同成熟度番茄果实具有较好的识别性能,可为番茄采摘机器人精准作业提供依据。     

基于改进Graph Cut算法的生猪图像分割方法

生猪图像分割为生猪行为特征提取、参数测量、图像分析、模式识别等提供易于理解和分析的图像表示,准确有效的生猪图像分割是生猪行为理解和分析的基础.针对传统Graph Cut算法分割精度差、分割效率低及不能准确分割特定目标的问题,该文结合交互分水岭算法,提出基于改进Graph Cut算法的生猪图像分割方法.采用交互分水岭算法对图像进行区域划分,划分的各个区域块看作超像素,用超像素替代传统加权图中的像素点,构造新的网络图替代传统加权图,重新构造能量函数以完成前景背景的有效分割.试验结果表明:该方法峰值信噪比平均范围为[30,40],结构相似度平均范围为[0.9,1],两种评价准则的结果与主观评价一致,图像分割质量、精度得到明显提升;平均耗时缩短到传统GraphCut算法的33.7％,提高了分割效率;在复杂背景、噪声干扰、光照强度弱等条件下可以快速分割出特定目标生猪,具有较高鲁棒性.     

融合K-means与Ncut算法的无遮挡双重叠苹果目标分割与重建

重叠苹果目标的准确分割是采摘机器人必须解决的关键问题之一。针对现有重叠苹果目标分割方法不能保留重叠部分轮廓信息的问题,提出了一种无枝叶遮挡的双果重叠苹果目标分割方法。该方法首先利用K-means聚类算法进行图像分割以提取苹果目标区域,然后利用Normalized Cut(Ncut)算法提取苹果目标轮廓,以实现未被遮挡苹果目标完整轮廓的准确提取,最后利用Spline插值算法对遮挡的苹果目标进行轮廓重建。为了验证算法的有效性,对20幅无枝叶遮挡双果重叠的苹果图像进行试验,并将该算法与寻找2个有效凹点用其连线分割重叠苹果目标,把分离的2个轮廓分别用Hough变换重建轮廓的方法进行对比。试验结果表明,对于图像中未被遮挡的苹果目标,利用该研究算法的平均分割误差为3.15%,提取的苹果目标与原始图像中苹果目标的平均重合度为96.08%,平均误差比Hough变换重建算法低7.73%,平均重合度高9.71%,并且该研究算法能够很好地保留未被遮挡苹果目标的完整轮廓信息,提高了分割精度。对于重叠被遮挡的苹果目标,平均分割误差和平均重合度分别为5.24%和93.81%,比Hough变换重建算法的平均分割误差低11.35%,平均重合度高12.74%,表明该算法可以较好地实现重叠被遮挡苹果目标的轮廓重建,研究结果可为实现枝叶遮挡影响下的多果重叠目标分割与重建提供参考。     

农田图像绿色植物自适应分割方法

为了适应不同农田地块自然图像颜色特征固有的差异性,从土壤背景中准确分割出各种绿色植物目标,设计了一种自适应分割方法。首先利用初始有标签训练样本获得支持向量机分割模型,然后根据K均值聚类算法自动从待分割图像中提取无标签训练样本,与有标签训练样本组成混合训练样本集。而后在混合样本集基础上,使用直推式支持向量机训练方法得到新的有标签训练样本集,挖掘出待分割图像颜色特征的分布信息。最后,利用这些新的有标签样本在线自适应更新分割模型。农田图像试验结果显示,该方法可以提高分割模型的针对性,有效地增强了分割过程适应农田自然图像颜色特征差异性的能力。     

自动监测装置用温室粉虱和蓟马成虫图像分割识别算法

为了监测温室黄瓜作物虫害种类、数量变化情况以预测虫害发展趋势,该文以粉虱和蓟马为例,提出了一种基于Prewitt、Canny边缘检测算子分割和SVM(support vector machine)的温室粉虱和蓟马诱虫板的图像识别算法。该方法利用HSI(Hue-Saturation-Intensity)颜色空间的I分量与L*a*b*颜色空间的b分量二值图像中害虫目标与背景的高对比性,再分别相应地利用Prewitt算子和Canny算子进行单头害虫边缘分割,再经过形态学处理,最后融合这两幅二值图像完成单头害虫区域的提取。然后提取害虫的5个形态特征(面积、相对面积、周长、复杂度、占空比)及9个颜色特征(Hue-Saturation-Value颜色空间、HSI颜色空间、L*a*b*颜色空间各分量的一阶矩),并对这14个特征参数进行归一化处理,将特征值作为SVM的输入向量,进行温室粉虱和蓟马的诱虫板图像识别。通过分析比较不同向量组合的BP(back propagation)与SVM的害虫识别率、4种不同SVM核函数的害虫识别率,发现颜色特征向量是粉虱和蓟马识别的主成分,且SVM的识别效果优于BP神经网络、线性核函数的SVM分类性能最好且稳定。结果表明:平均识别准确率达到了93.5%,粉虱和蓟马成虫的识别率分别是96.0%和91.0%,能够实现温室害虫的诱虫板图像识别。该研究可以为虫害的监测与预警提供支持,为及时采取正确的防治措施提供重要的理论依据。     

基于演化算法的水果图像分割

为了满足水果采摘机器人对图像分割算法实时性和自适应性的要求,在传统演化算法的基础上,提出了一种基于蜂王交配结合精英选择、截断选择分阶段的改进演化算法对水果图像进行分割。在设计选择策略时,将迭代过程划分为前中后3个阶段,分别采用蜂王交配算法、精英选择策略和截断选择策略来进行适应值的选择,这样既保证了种群的多样性,又克服了传统演化算法局部最优、收敛过快的缺点。试验结果表明,该文提出的水果图像演化分割算法无论从稳定性、分割效果,还是全局最优收敛速度上,都明显优于传统演化算法,分割的阈值稳定在3个像素之内;与Otsu算法、贝叶斯分类算法、K均值聚类算法、模糊C均值算法等其他算法相比,水果图像演化分割算法分割效果最好,对同一幅图像进行分割得到的分割识别面积参考值最大,而且运行速度最快,平均运行时间为0.08735 s,远少于其余4种算法;并能用于柑橘、荔枝、苹果等各种水果的图像分割,具有一定的通用性,达到水果采摘机器人视觉实时识别的要求,为水果图像分割及其实时获取提供了一种新的基础算法。     

基于改进均值漂移算法的绿色作物图像分割方法

针对绿色农作物图像背景复杂且分割难的问题,提出一种基于改进均值漂移算法的分割方法。采用均值漂移算法对图像进行平滑和分割时,带宽的选择直接影响平滑和分割的结果。传统的均值漂移分割方法需要人为地设定空域带宽和值域带宽这2个参数。该文首先根据绿色作物图像的颜色特点,提取图像的颜色指数;然后采用均值漂移算法,将图像的颜色信息与空间信息结合起来,根据作物图像颜色分布的丰富程度定义自适应空域带宽,采用渐近积分均方差来获得自适应值域带宽,对图像进行平滑滤波;最后采用 Otsu 方法将平滑后的图像分成两部分：绿色部分和背景部分。试验结果表明,该方法能够有效地分割出绿色作物,并在分割性能上明显优于常规的颜色指数方法,作物图像的错分率均小于6.5%。     

一种基于主动轮廓模型的连接米粒图像分割算法

针对图像中连接米粒分割困难的问题,提出了一种基于主动轮廓模型的分割算法。首先,对籽粒二值图像的欧氏距离变换进行局部极小值检测,并通过形态学膨胀算子合并局部极小值点,在每个籽粒内部只产生一个区域。其次,以这些区域的边界作为初始曲线,在主动轮廓模型的指导下,曲线向籽粒的边界演化,最终将图像中各个米粒分割。试验结果表明,对圆江米、粳米、长江米和黑米4个品种的米粒,基于主动轮廓模型的连接米粒图像分割算法的分割正确率分别达到93.4%、92.4%、88.0%和90.4%,综合准确率为91.05%,比基于分水岭的方法提高了26.7%。因此,基于主动轮廓模型的算法为分割连接米粒图像提供了一种有效途径。