自然光照下基于粒子群算法的农业机械导航路径识别

针对农业机械视觉导航线提取易受光照变化影响及常规导航线识别算法实时性低、抗干扰能力差等问题,对自然光照条件下基于机器视觉的农业机械导航路径识别技术进行了研究。首先,在YCr Cb颜色模型的基础上构建与光照无关的Cg分量,选择2Cg-Cr-Cb特征因子对图像进行灰度化处理,以降低光照变化对图像分割的影响;然后,采用改进K-means聚类方法进行图像分割,将绿色作物信息从土壤背景中分离出来,并通过形态学滤波方法滤除二值图像中存在的杂草干扰信息;最后,根据图像中作物行的特点建立作物行直线方程约束模型,利用粒子群算法对作物行直线进行寻优求解,进而得到导航线。实验结果表明,不同光照条件下对2Cg-Cr-Cb灰度图像进行图像分割,可以清晰完整地将作物从土壤背景中分离出来,分割图像受光照变化影响较小并且不会引入背景噪声;基于粒子群算法的导航线检测方法可以快速准确地提取出导航路径,对于不同农田作物和作物不同生长阶段具有较高的适应性,相比于常规导航线识别算法具有实时性高、鲁棒性好等优点。     

基于视觉显著度的射线图像微小缺陷提取方法

为实现射线图像复杂大背景下微小目标检测,研究强噪声、大灰度梯度下微小缺陷的分割方法。提出面向射线图像的视觉显著度模型,模拟人眼视觉注意机制,采用线扫描及自适应中央-周边差策略,以视觉显著度为尺度,通过特征图计算与融合、显著图获取等算法,从射线图像复杂背景中分割出注意区域;进一步通过显著度竞争标记排序各注意区域,并根据显著度阈值识别可疑缺陷区域,由此减少图像数据处理量,排除射线图像其他部分的干扰。提出以显著图上可疑区域的注意焦点为种子点,基于各点显著度的区域生长分割方法,实现了可疑区域图像中微小缺陷目标的准确提取。在复杂大背景X射线图像的实验中,准确提取出含有未知缺陷目标的区域,对微小目标的分割取得了较好效果,准确率达到96.1%,比传统方法高8%以上,证明了所提方法的有效性和适应性。     

高精度视觉感应技术在水肥一体机中的应用

以农田水肥智能化管理为研究对象,构建了一种高精度视觉感应式水肥一体机。采用高精度视觉感应技术获取作物生长状态参数图像,基于超像素图像分割技术,对复杂的作物生长状态图像特征向量进行提取,采用模糊聚类算法对图像进行分割处理,根据目标图像的像素值统计结果进行生长状态预测,并结合环境参数信息,构建灌溉过程土壤电导率EC和pH预测模型。测试结果表明：水肥一体机控制系统能够有效预测作物对水肥需求,提高了灌溉过程混肥精度,可节约灌溉用水量、提升生产效率、降低人工成本。     

基于深度图像的蔬果形状特征提取

针对蔬果二维投影图像含形状信息量少而影响蔬果分级精度的问题,提出一种基于深度图像的蔬果形状特征描述方法,以番茄形状特征提取为例,对该方法进行了探讨.首先利用彩色图像信息将番茄从背景中分割出;其次通过三维机器视觉测量设备获取番茄的点云数据,并对待检测番茄的点云数据深度进行归一化处理;然后通过关联被分割出的番茄区域信息与深度信息得到了番茄的深度图,并对该深度图进行极坐标采样.通过在笛卡尔直角坐标下对采样结果进行傅里叶变换,获得了基于深度图像的通用傅里叶形状描述子,该描述子不仅能有效地描述番茄在深度和横向上的形状特征,同时还具有平移、旋转和缩放的不变性.将基于深度图的通用傅里叶描述子和基于一般二维投影图像的通用傅里叶描述子先后用于番茄的分级实验中,结果表明前者平均分级精度达到92％,精度高于后者.     

数学形态学在作物病害图像预处理中的应用研究

以大田复杂背景下采集的小麦叶部病害图像为研究对象,为进一步分析小麦病害类别及程度,针对小麦叶片的几何形状特点,设计了一种基于数学形态学的小麦叶部图像预处理方法。该方法首先采用相位一致性模型进行边缘检测,然后将数学形态学中的闭运算、开运算、形态区域填充运算及形态面积开运算相结合,用于对复杂背景下混杂大量噪声的小麦叶部病害图像进行去噪、提取及重建。实验证明,该方法能有效地将图像中最突出的小麦单个叶片从复杂背景中提取出来,并能够保留原始病害图像中的病害细节信息,图像清晰完整,为作物病害的特征提取及分类识别研究提供了新的思路。     

小麦病害图像识别处理及形状特征提取研究

以小麦条锈病为例,研究小麦病害部位的图像获取、处理和特征提取。通过图像灰度映射和反映射变换、非线性直方图均衡处理等方法进行病害图像噪声去除和图像优化;采用迭代阀值分割和微分边缘检测提取小麦病斑部位的形状特征,为农业作物病害诊断信息特征数据库的建立提供基础数据。     

双通道近地遥感图像采集处理系

利用2CCD多光谱相机设计了近地遥感图像采集平台,同步获取小范围区域作物的可见光和NIR图像,通过图像处理技术从作物图像获得反射光谱信息.采集平台包括一个2CCD多光谱相机,两个采集盒,一台具有两个千兆网口的田间计算机.图像处理部分通过2GRB灰度化、中值滤波和Otsu二值化,从背景中分割出作物图像,结合作物原始R分量灰度图像,提取出作物红光图像平均灰度值,利用建立的灰度值与反射率的线性模型,计算得到作物红光波段的反射率.试验结果表明,图像采集平台工作稳定,利用图像处理方法提取的反射率与ASD光谱仪测量结果有较好相关性,为从作物冠层图像探测生长状况提供了理论依据.     

采用区域生长法分割根系CT图像的改进算法

提出了一种基于阈值分析和区域生长相结合的用于植物根系CT序列图像分割的算法。首先通过直方图分析,初步确定根系区域的分割阈值,再利用经过改进的区域生长法分割得到目标区域。实验结果表明,该分割算法计算量小,分割精度高,在提取目标的同时,能够有效地分离介质(背景)像素;而且对于背景复杂、噪声较大、目标像素灰度不均匀的CT图像也能取得较好的分割效果。     

基于Hough变换的农业机械视觉导航基准线识别

提出了一种基于机器视觉技术识别农业车辆导航基准线的方法。该方法从农田环境的特点出发,主要用超绿特征灰度化方法对彩色农田图像灰度化,分割作物行和土壤背景。对灰度图像进行闭运算操作,缩小或消除作物行和背景中的孔洞。对灰度图像做垂直投影直方图,根据波峰位置初步确定导航作物行的基准线位置。将灰度图像分成若干个水平条,对每个水平条用垂直投影法找出导航定位点,并根据定位点的位置设置感兴趣区域。在感兴趣区域内,采用Hough变换对导航定位点拟合出导航基准线。通过与最小二乘拟合方法的对比可知,该算法精度较高,能够满足农业机械农田作业的要求。     

基于最小二乘法的温室番茄垄间视觉导航路径检测

针对温室非结构作业环境和复杂背景下作业机器人路径识别检测问题开展研究。在HSI颜色空间分析番茄垄间道路图像在各分量的分布特性,提出了基于机器视觉的垄间加热管敏感区域提取方法,依据I分量直方图采用最大类间方差法进行图像自适应阈值分割,对分割后二值图像利用目标区域的边缘提取算法获得导航离散点簇。根据最小二乘法原理对导航离散点簇拟合得到2条加热管边缘线,在此基础上给出中心导航基准线检测算法,并针对光照不均和作物遮挡对导航路径检测进行了实验。实验表明,与Hough变换算法相比,该算法简单快速,对光照不均具有良好的鲁棒性,能够准确提取目标敏感区域的边缘信息,对不同遮盖率番茄垄间导航路径提取正确率达91.67%。     

基于区域生长的采摘机器人视觉识别方法

提出了一套基于茄子图像的空间位置信息和颜色因子相融合的区域生长分割算法。为保证茄子图像分割最佳的颜色空间和颜色因子,提取了50幅不同光照条件下的茄子图像的RGB颜色空间分量灰度图和直方图,比较了茄子果实、叶子、茎秆和空隙等的颜色特征,得出了G-B颜色因子对于茄子果实分割最为有利的结论。按照灰度级相同和空间8邻域连通的原则确定种子区域,进而通过扫描整幅图像进行初始分割。融合G-B颜色因子和空间信息对初始区域进行合并,直到分割形成的区域类间距离最大时停止生长。通过顶点链码与离散格林技术提取出果实的最小外接矩形,求解果实的生长位姿,试验表明:其分割效率均大于93%,平均用时为0.32 s,能够满足果蔬采摘机器人对视觉系统的要求。     

基于视差图像的重叠果实图像分割算法

为解决自动采摘视觉系统中重叠果实的分割问题,提出了基于视差图像的果实分割算法。采用双目立体视觉系统获取图像对,对图像对进行预处理和校正,通过图像对的立体匹配来获取视差图像,最后对视差图像进行分割。该算法将分割的依据和信息从二维图像的颜色、形状、纹理等扩展到三维空间的深度,对空间距离不同的目标具有较好的分割效果。实验表明,对获取的视差图像进行基于区域的分割时,其区域间灰度对比度为0.98,目标计数一致性达到0.90;进行基于边缘的分割时,其边缘检测误差为5.74%,因此,该方法对重叠果实区域的分割是有效的。     

计算机视觉鸭蛋图像分割技术研究

计算机视觉鸭蛋品质检测中,目标与背景的有效分割尤为重要。为了解决传统灰度阈值分割存在的弊端,构造图像的灰度-梯度共生矩阵,提出基于灰度、梯度信息和最大熵原理的二维阈值分割方法。通过统计目标和背景的熵,并使二者和最大,确定与此对应的灰度、梯度值,即为最佳分割阈值。采用数学形态学方法对分割图像后进行处理,去除噪声点,使分割效果更理想。实验表明,该方法有效。     

机器视觉在农业车辆导航系统中的研究进展

机器视觉是农业自动车辆获得导航信息的一种方式,其基本任务是从图像中识别出作物行,然后提取作物线。目前有两种分析图像的模式：基于2D图像信息的边缘特征分析法,基于1D灰度信息的特征分析法。综述了国内外在这个领域的研究进展,并提出一些符合我国农业现代化发展趋势的机器视觉研究思路。     

基于改进算法的小麦收获机作物密度检测研究

针对谷物联合收获机喂入量实时调整的需求,研究成熟期作物密度与收获机喂入量间的函数关系。首先对图像进行灰度化与中值滤波处理,然后以改进的图像分割算法获得了更为准确的图像分割阈值,从而将作物的谷、叶从背景中分割出来。在此基础上,以数据拟合的方式得到小麦收获机喂入量随图像像素的变化模型,为谷物收获机实时、精准地控制喂入量提供可行的方案。     

基于单目视觉与超声检测的振荡果实采摘识别与定位

针对采摘机器人在果实振荡情况下因难以精确定位影响采摘效率的问题,提出了一种基于单目视觉与超声检测的振荡果实识别与定位方法。首先对采集的振荡果树图像序列进行基于色差R-G的Otsu阈值分割和形态学处理,接着对图像果实区域进行灰度填充,将处理后的图像序列叠加得到复合图像和目标果实运动区域,求取振荡果实在图像运动区域的二维平衡位置坐标。然后机械手在视觉引导下运动,其末端指向振荡果实二维平衡位置坐标,同时超声传感器检测目标果实深度信息并提取超声回波信号峰峰值进行果实识别,当检测到果实处于适合采摘位置时,机械手爪抓取果实。采摘试验表明,采摘成功率为86%,验证了所采用方法的有效性,为实现采摘机器人实用化提供了参考。     

小波变换与分水岭算法融合的番茄冠层叶片图像分割

在基于机器视觉的作物营养诊断研究中,通常需要采集叶片样本并在实验室条件下定量测定其营养素含量,但由于叶片间相互重叠,往往使得叶片样本不能清晰地反映在群体番茄冠层图像中。为了解决这一问题,需要利用图像分析技术有效提取作物冠层图像中的叶片,并根据处理结果采集实验室测定样本。本文从复杂背景剔除、梯度图计算、小波变换、标记选取、分水岭分割等环节出发,实现了基于小波变换与分水岭算法融合的番茄冠层多光谱图像叶片分割。首先对比了4种复杂背景剔除算法,发现当增强因子a=1.3时,基于归一化植被指数(Normalized difference vegetation index,NDVI)的阈值分割目标提取准确,适合各种光照条件,时空复杂度低。其次在梯度图计算方面,近红外(Near infrared,NIR)波段图像形态学梯度在保持目标边缘的同时,能消除大量由叶脉、光照等引起的叶片内纹理细节。然后以小波分析为基础进行标记选取,发现当选取db4小波函数、4层小波分解低频系数、阈值为18的H-maxima变换能得到最优的目标标记结果。最后对多光谱番茄冠层图像的小波变换分水岭分割和数学形态学分水岭分割结果进行叠加,发现对复杂背景及不同光照强度下的番茄冠层叶片平均误分率为21%,为基于多光谱图像分析的番茄叶片营养素含量检测提供了一定的技术支持。     

玉米小斑病病害程度图像检测

为了实时获取作物病害程度信息,研究了一种基于RGB彩色模型的玉米小斑病图像的分割方法,并利用分割结果求得的玉米冠层危害程度来计算整株玉米的发病程度.由于图像中背景复杂,将叶片与病斑同时分离出来的可能性小,故该方法分为两步:首先从获取的RGB图像中提取R、G、B分量,利用2G-R-B图像采用迭代法自动选取阈值将玉米叶片从背景中分割出来;然后根据R-G图像将病斑从叶片上分离出来.30幅图像中玉米叶片、病斑基本上能提取出来,但没有黄化的少量侵染点无法有效分割.     

面向复杂背景环境目标的快速识别研究

面向复杂背景环境的定位目标的快速识别是野外作业机器人的关键技术,以柑橘为例,研究了自然环境下基于彩色信息的目标定位的识别方法。首先,采用YCbCr颜色模型来分析柑橘彩色图像的颜色和灰度特征,并通过Otsu与FCM分割算法相结合对在不同光照条件下拍摄的彩色目标图像进行分割;然后,利用形态学数学和区域标记消除分割后产生的随机噪声;最后,用凸包算法提取果实形状特征,并通过凸包算法来判定是否为柑橘和是否可采。对500张彩色柑橘图像进行分割,结果表明采用Cr颜色分量和Otsu与FCM算法相结合有效地解决复杂自然光照下的分割问题;对963个柑橘进行了凸包算法识别试验,总体识别率达87.53%。凸包算法对遮挡图像也可进行高效识别,并能快速、准确地提取柑橘目标的质心坐标。     

基于边缘检测与扫描滤波的农机导航基准线提取方法

为了实时、准确地提取作物行基准线,提出了一种将边缘检测和扫描滤波(Boundary detection and scan filter, BDSF)相结合的基准线提取方法。首先对RGB颜色空间采用G-R颜色特征因子进行图像灰度化,再采用最大类间方差法（OSTU）对灰度图像进行分割,得到二值化图像,获取较好的作物信息。然后分别对图像的底端和顶端部分进行垂直投影,获取作物行的位置,形成一个包含作物行直线的条形框;在这个条形框内,再用等面积的小条形框对图像进行扫描并统计有效点的个数。最后根据扫描的结果来提取导航线。试验结果表明,对比Hough算法和最小二乘法(Least square method, LSM),BDSF算法处理一幅分辨率为640像素×480像素的图像,平均耗时为67ms,与LSM算法耗时相当,精度接近Hough算法;并且在杂草和株数稀缺情况下具有良好的适应性,能够快速准确地提取作物行基准线。