农田环境下无人机图像并行拼接识别算法

为改善在农田环境下无人机图像计算速度和效率,该研究提出了一种农田环境下无人机图像并行拼接识别算法。利用倒二叉树并行拼接识别算法,通过提取图像拼接中的变换矩阵,实现拼接识别同时进行。根据边缘设备的CPU核心数和图像数量自动将图像拼接识别任务划分为多个子进程,并分配到不同核心上执行,以提高在农田环境下的计算效率。试验结果表明：相同试验环境和数据集条件下,倒二叉树并行拼接算法的拼接耗时相较于商业软件平均减少了60%～90%左右;在农田环境下,倒二叉树并行拼接识别相较于串行拼接识别的耗时减少了70%,图像识别的平均像素交并比提升了10.17个百分点,说明在农田环境下采用多线程倒二叉树并行算法可以更好地利用农田环境下边缘设备的计算资源,大幅提升无人机图像的拼接和识别的速度,为无人机的快速实时监测提供技术支撑。     

基于优化SIFT算法的无人机遥感作物影像拼接

针对作物遥感影像因对比度低所导致的使用尺度不变特征变换算法(scale-invariant feature transform,SIFT)提取特征点数目少,拼接效果不理想的情况,提出了一种基于图像锐化的自适应修改采样步长的非极小值抑制拼接算法,该算法在图像预处理中引入锐化滤波器对平滑后的图像进行卷积,增强图像细节,增加特征点提取数目,同时通过基于尺度的自适应修改采样步长,使图像特征点分布更加均匀,根据低对比度作物遥感影像的成像特性,采用非极小值抑制,提高图像匹配效率。在查找匹配点的过程中,引入最优节点优先算法(best-bin-first,BBF)查找最近邻与次近邻,采用随机抽样一致算法(random sample consensus,RANSAC)优选特征点。通过试验验证,该文改进后的算法相比于标准SIFT算法,在处理低空作物遥感影像时,特征点提取数目平均增加77.5%,特征点匹配对数平均增加15对,对于标准SIFT算法无法匹配的低对比度作物遥感影像,提取到了8对以上的匹配点对,满足了拼接条件。该改进算法相对于标准SIFT算法更适于低对比度遥感影像的拼接。     

基于尺度不变特征转换算子的水果表面图像拼接方法

水果全表面图像信息是否完整,直接影响水果表面颜色和缺陷检测的结果。该文提出了一种基于尺度不变特征转换(SIFT,scale invariant feature transform)算子的图像拼接方法,实现多视角水果图像的拼接以获取完整的水果表面信息。首先以15°固定间隔旋转水果以获取各视角下的连续图像,在图像2R-G-B通道下实现图像目标和背景分离,并对目标图像进行灰度直方图均衡化以增强其纹理信息,有利于特征点的提取。运用SIFT算法提取图像特征点,因为特征向量数量多、维数高,采用普通的K-D树算法搜索匹配点将消耗大量时间,因此将图像划分为16个区域,通过多次试验可知中间4个区域为特征点是最容易匹配的区域,这样就缩小匹配点可能存在的区域。采用极线几何约束法和改进型随机抽样一致(random sample consensus,RANSAC)算法以提高图像拼接精度,减少匹配时间。根据平移矩阵,对前后图像进行拼接,从而实现水果表面图像的完整拼接。试验结果表明:该算法平均匹配精度提高35.0%,平均拼接时间为2.5 s,较传统K-D树算法缩短67.8%时间,拼接效果还原率为93.9%。该文算法具有一定的尺度、旋转以及仿射变换不变性,适用于随机呈现的不同姿态球状水果图像拼接。该研究可为基于机器视觉的农产品品质检测和等级划分提供科学参考。     

基于全景图像的玉米果穗流水线考种方法及系统

为提高玉米果穗考种效率和精度,该文提出一种基于全景图像的玉米果穗流水线考种方法和系统。利用托辊传送装置实现果穗自动连续推送,基于工业相机自动检测果穗运动状态并实时采集图像,获取覆盖果穗全表面的图像序列;建立果穗运动、摄像机成像、表面拼接关系,从图像序列中抽取果穗中心畸变最小区域拼接出果穗表面全景图像;最后,结合果穗边界检测、籽粒分割和有效性鉴定等技术提取出果穗表面上有效籽粒。试验结果表明,该文方法和系统较好地平衡了玉米果穗考种的效率和精度,图像采集和计算平均效率达15穗/min和4穗/min,穗长和穗行数指标计算精度可达99%和98.89%,可为研发全自动、高通量玉米果穗表型检测装置提供有益借鉴。     

基于多幅图像的黄瓜叶片形态三维重建

为了更加快速、便捷、精确和逼真地重构出植物叶片的三维形态,提出了基于多幅图像的黄瓜叶片建模方法。首先利用角点检测算法提取叶片边缘及主脉的特征点,通过结合极线约束和SIFT特征描述算子对特征点进行匹配,进而得到特征点的三维坐标;然后利用B样条曲线连接这些特征点,对叶片边缘和中脉进行拟合,再利用Delaunay三角化方法对叶片进行三角网格化;最后通过纹理映射增加模型的真实感。试验结果表明,通过该方法可以精确、快捷地重构出黄瓜叶片的三维形态,具有较强的真实感效果。     

基于图像拼接的苗期玉米植株缺失数量自动测量方法

为自动测量苗期玉米植株缺失数量,研究一种基于图像拼接的玉米早期缺苗数量自动测量方法。该方法首先在田间光照条件下,从植株顶部沿行向获取玉米图像序列,并将图像序列注册到同一坐标系下拼接为行向图像,然后将植株像素从土壤背景中分割出来,在植株细化骨架上标识茎秆中心点。最后以行向图像上各茎秆中心点拟合行向直线,将茎秆中心点向行向直线投影,从相邻投影点的距离计算植株平均株距,缺苗数量可由平均株距和两相邻植株的距离计算。在3个不同密度的试验小区上对比该方法与人工测量,每个小区进行10次重复,在低密度和中密度小区两种方法具有较高的相关性,在高密度小区两种方法的相关性有所下降。该方法可以替代人工测量,从而减少时间和人力投入,提高玉米早期植株缺苗数调查的自动化程度。     

基于彩色和深度信息结合K-means聚类算法快速拼接植株图像

图像拼接可以建立宽视角的高分辨率图像,对实现农业智能化有重要作用。基于Kinect传感器的图像拼接方法利用彩色和深度双源信息,能够有效避免图像缺失、亮暗差异、重影等拼接错误,但是存在拼接时间较长和目标植株不明显等情况。针对这一问题,该文提出一种基于Kinect传感器彩色和深度信息的目标植株图像快速拼接方法。首先用K-means聚类算法和植株深度信息提取彩色图像中有效植株区域,再采用SURF(speeded up robust features)算法进行特征点提取,利用相似性度量进行特征点匹配并根据植株深度数据去除误匹配,由RANSAC(randomsampleconsensus)算法寻找投影变换矩阵,最后采用基于缝合线算法的多分辨率图像融合方法进行拼接。室内外试验结果表明:该文图像拼接方法更能突显出目标植株且极大缩短了拼接时间,该方法图像拼接时间只需3.52 s(室内)和7.11 s(室外),较基于深度和彩色双信息特征源的Kinect植物图像拼接方法时间缩短了8.62 s(室内)和38.56 s(室外),且平均匹配准确率达96.8%。该文拼接后图像信息熵、清晰度、互信息、空间频率平均分别为6.34、50.36、11.70、11.28,图像质量较传统方法均有提高。该研究可为监测农业植株生长状态、精确喷洒药物提供参考。     

基于深度和彩色双信息特征源的Kinect植物图像拼接

图像拼接对制作全景图具有重要作用,传统SIFT(scale-invariant feature transform)图像拼接方法受光照不均匀或风吹影响,存在错位和缺失等情况。针对这一问题,该文提出一种基于Kinect彩色和深度双信息特征源的图像拼接方法。首先对获取的植株彩色图像采用SIFT算法进行特征点提取和特征点匹配,利用Kinect收集到的植株深度数据去除误匹配,采用RANSAC算法寻找投影变换矩阵,最后通过最佳缝合线算法进行图像融合。室内和室外试验结果表明,该文基于Kinect彩色和深度双信息特征源的图像拼接方法能够有效克服光照、风吹等环境因素的影响,避免了图像缺失、亮暗差异、重影等拼接错误,该文方法图像拼接时间较短,平均匹配准确率达96.0%,较传统SIFT图像拼接方法平均准确率提高了5.9%。     

无人机航拍林业虫害图像分割复合梯度分水岭算法

针对林业信息监测方式实时性差、监测范围有限等问题,为更加实时、准确地对林业虫害信息进行监测并计算监测样地中虫害区域比例,该文在搭建面向林区虫害监测的多旋翼无人飞行器航拍监测系统基础上,提出了一种基于复合梯度分水岭算法的图像分割方法。该方法引入全局直方图均衡化消除了图像暗纹理的影响,并采用形态学混合开闭重构滤波完成了图像样本的去噪处理。计算灰度图像各像素点的复合梯度实现了非相关区域(道路及裸地)的提取,最终利用分水岭算法实现了监测图像虫害区域的分割提取。利用该文所提算法对8幅虫害侵蚀程度不同的监测图像进行分割,并与传统分水岭算法、K-means聚类算法进行对比试验。试验结果表明,该文算法虫害区域提取的平均相对误差率分别降低6.56%、3.17%,平均相对极限测量精度分别改善7.19%、2.41%,能够相对准确地将虫害区域从监测图像中分割出来,可为后续林业虫害监测与防护提供参考。     

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。     

基于点特征检测的农业航空遥感图像配准算法

针对当前无人机遥感图像配准算法普遍存在匹配精度差与配准速度慢等问题,该文以点特征检测方法为基础,结合矩阵降维处理方法,提出一种适用于农业航空遥感图像配准的改进算法—SNS(scale-invariant feature transform and singular value decomposition)算法。SNS算法以高斯函数同步检测尺度空间极值点的坐标和特征尺度,利用海森矩阵消除伪特征点,获取特征点精准定位,在求取特征点的模值与方向基础上,采用奇异值分解方法进行矩阵优化,实现数据降维再重构。试验结果表明,SNS算法与经典算法相比,配准速度平均提高5.01%,配准精度均方根误差平均降低10.48%,说明SNS算法在压缩数据量的同时,提高了整体配准精度,具有配准速度较快和鲁棒性较好的特点。研究结果可为农业航空遥感图像快速配准提供参考。     

基于无人机航拍图像与改进IntegrateNet的稠密云杉计数

苗木数量统计和库存管理对于大型苗圃经营和管理十分重要。该研究针对种植稠密的云杉地块，以无人机航拍云杉图像为对象，提出一种改进IntegrateNet模型，实现稠密云杉的准确计数。选择对稠密目标识别性能好的IntegrateNet为基础模型，根据稠密云杉粘连严重以及杂草背景干扰进行改进，首先使用自校正卷积（self-calibrated convolutions，SCConv）提高卷积感受野，增强模型对于不同尺寸云杉的适应能力。其次，在特征融合处应用十字交叉注意力机制（criss-cross attention，CCA）提高模型对上下文信息的提取能力。以平均计数准确率(mean counting accuracy，MCA)、平均绝对误差（mean absolute error，MAE）、均方根误差（root mean square error，RMSE）和决定系数R²为评价指标。分析结果表明，改进IntegrateNet模型在181幅测试集上的平均计数准确率，平均绝对误差，均方根误差，决定系数分别达到98.32%，8.99株、13.79株和0.99，相较于TasselNetv3_lite、TasselNetv3_seg和IntegrateNet模型，平均计数准确率分别提升16.44、10.55和9.26个百分点，平均绝对误差分别降低25.62、10.45和6.99株，均方根误差分别降低48.25、13.84和12.52株。改进IntegrateNet模型能够有效提高稠密云杉的计数准确率，可为完善苗木数量统计系统提供算法基础。     

图像拼接重建苹果树冠层器官三维形态

为重建苹果树年生长期冠层器官三维形态,以休眠期、疏花期、成熟期苹果树冠层为研究对象,分别针对基于光合混合探测技术(photonic mixer detector,PMD)的摄像机与彩色摄像机获取的强度图像与彩色图像开展冠层图像拼接技术研究。利用Scale invariant feature transform算法的尺度不变特征,并结合Random sample consensus算法精确确定图像映射模型,避免了果园非结构光及图像尺度变换的影响。以此为基础,应用拉普拉斯金字塔分解与重构算法、分层确定融合规则,实现了不同生长期的冠层图像拼接,有效克服了传统融合算法反映细节信息能力差、拼接痕迹明显等缺点。果园不同环境下(晴天顺光、晴天逆光、阴天)的试验表明:提出的拼接方法适合于苹果树年生长期的冠层器官图像拼接,且算法的鲁棒性、速度及拼接精度均能满足冠层三维重建工作的要求,研究成果对提升剪枝、疏花、测产、采摘等果园管理的信息化水平具有重要意义。     

基于特征点提取匹配的蝗虫切片图像的拼接和修复方法

由于环境和切片本身特性的影响,试验中获取的蝗虫切片总是不完整或者带有褶皱的。针对这一问题,提出了一种基于图像匹配的蝗虫切片拼接和修复方法,以序列切片中缺损切片的邻近切片图作为参考对象,对缺损切片图像进行拼接和修复。首先对切片进行小波降噪,降低噪声对匹配的影响;然后用尺度不变特征变换(scale.invariant feature transform,SIFT)算法和快速鲁棒特征(speed-up robust features,SIJRF)算法获取切片特征点并生成特征向量,完成切片的初始特征点匹配;随后利用随机采样一致(random sample consensus,RANSAC)算法进行匹配矫正,剔除匹配点对中的误匹配,并利用最小二乘法求解出单应性矩阵;最后用正确的匹配点对和单应性矩阵完成蝗虫切片的拼接,利用求得的空间映射模型找到褶皱部分相应的匹配域,完成对缺损部分的修复。试验表明:提出的切片拼接和修复方法的所提取的特征点的正确匹配率能够达到72.2%,并且运行速度以及匹配效果都能在一定程度上满足切片修复的要求,为后面进行蝗虫切片褶皱打开以及蝗虫体的三维重建提供了技术参考。     

基于解模糊算法的蚕蛹图像恢复及雌雄识别

在利用机器视觉技术识别雌雄蚕蛹过程中,因蛹体为非规则椭球体所带来的空间变化模糊造成蚕蛹图像中大量细节结构特征信息丢失,这极大地降低了雌雄蚕蛹识别的准确率。针对此问题,该文提出了一种将复杂的空间变化模糊图像恢复问题化为多个简单的空间模糊图像求解的策略。首先根据蚕蛹图像的模糊图谱将图像划分为多个具有相似程度模糊的子图像区域;再利用 Lucy Richardson 方法对各子图像区域分别进行非盲反卷积解模糊;最后将恢复的各子图像进行拼合并使用双边滤波方法消除图像拼合误差,保证图像信息准确融合。试验结果表明,该算法性能与目前所公认最优的 Shen 方法相比,能够得到更好的蚕蛹图像视觉质量,蚕蛹图像质量的定量评估指标——总变差均值（TVM）平均提高了22.8%,因此,该文方法具有更优的性能,能够有效消除空间变化模糊影响,恢复出更多的蚕蛹图像细节结构特征。利用基于霍夫变换理论的形状匹配算法对处理前和处理后的400颗蚕蛹成像图像进行了雌雄识别试验研究,试验结果表明,相对于原始未处理的蚕蛹图像,经该文方法处理后的蚕蛹图像,雌雄蚕蛹识别率提高了40.5百分点。该文方法对西葫芦、南瓜等类非规则椭球体果蔬图像也能够进行有效的图像质量改善,这充分显示了该文方法的广泛适应性。     

基于多重特征增强与特征融合SSD的荔枝检测

使用无人机拍摄的荔枝图像目标尺寸小、特征信息不足.为了更多、更好地检测到荔枝,该研究提出一种基于多重特征增强与特征融合的SSD(Single Shot Multibox Detector based on Multiple Feature Enhancement and Feature Fusion,MFEFF-SSD...     

一种基于IHS变换的改进型图像融合的算法

常用的遥感图像融合的方法如IHS变换法、Brovey变换法和主成分变换法实施图像融合时，均会有不同程度的光谱扭曲的现象，该文探讨了一种新的光谱保持型的DFF融合算法。DFF融合法先对参与融合的全色波段进行方向滤波，而后将滤波后的全色波段替换IHS正变换后的明度分量，再进行IHS逆变换便得到融合图像。DFF融合后的图像色彩与TM影像一致，光谱保持性能也优于IHS变换法，DFF融合图像的分类精度也高于IHS融合图像。     

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。