基于RGB彩色空间的原木端面图像参数测算研究

[目的]根据原木端面图像的彩色特征,提出一种基于RGB颜色空间的彩色图像分割算法。[方法]选取图像中指定区域作为样本,统计样本中像素点的彩色分量,利用其彩色阈值区间,通过逐点匹配法对图像进行分割。[结果]该方法不仅消除了阴影干扰,而且能够准确地对原木端面进行分割。分割结果图像优化处理后,完整地反映出图像中的原木端面。采用目标图像外接矩形的内接椭圆算法对原木端面图像进行参数测算,结果表明,该算法的测算结果相对误差小于0.5%。[结论]基于RGB彩色空间的原木端面图像分隔方法分隔效果较优,参数测算结果较准确。     

一种自适应逐级开运算的原木端面识别方法

为提高原木检尺的工作效率，提出一种自适应逐级开运算的成堆原木端面识别方法，以实现自然环境下成堆原木端面的快速识别。获取自然环境下堆放的成堆原木图像，利用PSO改进的K-Means聚类算法基于图像的RGB色差值，对图像进行背景和目标的分割，用PSO算法寻找K-Means的初始聚类中心，通过背景和原木堆的聚类实现背景和目标的分割。对于分割后的图像，设计了一种自适应原木端面大小的逐级开运算原木端面识别方法，该方法根据图像中的目标原木大小，以圆面积计算公式中面积和半径的正比关系为依据，用半径作为结构元素，从而自适应地寻找出结构元素的最大值和最小值，在2个最值的区间内设定1个可变的结构元素，从最大值逐渐减少地对目标图像进行开运算，从而实现对图像中不同直径大小的原木识别，计算出原木堆图像中所有原木的根数。结果表明，使用逐级开运算进行原木识别，对清楞原木的检测达到平均正检率97.26%，漏检率2.74%，错检率8.10%；混楞原木检测正检率93.32%，漏检率6.68%，错检率7.02%；与使用Hough变换进行圆检测的方法相比，本算法清楞原木和混楞原木的正检率平均提高分别为16.24%和19.29%。自适应逐级开运算的原木端面识别方法，可以识别不同直径的成堆原木端面，从而实现原木根数的自动计算，能有效提高人工检尺的效率。     

基于Mask R-CNN的玉米苗与株芯检测方法

【目的】研究基于改进Mask R-CNN的玉米苗冠层分割算法,满足精准作业中对靶施肥的识别要求,提高化肥的使用效率,减少环境污染。【方法】采集田间玉米苗图片并增强数据,生成田间数据集;使用ResNeXt50/101-FPN作为特征提取网络对分割算法进行训练,并与原始ResNet50/101-FPN的训练精度结果作对比;采用不同光照强度及有伴生杂草的玉米苗图片对比验证冠层识别算法效果。【结果】在不同光照强度下,无伴生杂草的目标平均识别精度高于95.5%,分割精度达98.1%;在有伴生杂草与玉米苗有交叉重合情况下,目标平均识别精度高于94.7%,分割精度达97.9%。检测一帧图像的平均时间为0.11 s。【结论】Mask R-CNN的玉米苗及株芯检测算法有更高的准确率和分割精度,更能适应不同光照强度及有伴生杂草的苗草交叉重合情况的目标检测。     

原木端面图像的阴影去除算法

原木在堆放时其端面不在一个平面,自然光线下,凹进去的原木很容易陷入阴影中。为了准确分割原木端面图像,解决阴影消除的问题,提出了模式识别的方法。首先,提出了自适应阈值的合并解决均值漂移分割参数选择不合适引起的过分割和过合并问题;再将30维的颜色直方图和局部二进制模式(LBP)纹理直方图作为特征量,利用随机森林分类器进行训练和预测,将区域图像分为端面、阴影、背景3类;最后,利用图像增强算法进行阴影消除。对阴影消除前后的端面图像作分割,对比结果显示了此算法的有效性。     

基于K-means聚类与果萼形状的‘海沃德’猕猴桃膨大果检测方法

【目的】根据‘海沃德’猕猴桃膨大果和未经膨大剂处理的猕猴桃正常果在果萼形状上的差异,建立一种基于K-means聚类算法的猕猴桃膨大果的图像识别方法。【方法】利用K-means聚类算法对猕猴桃的RGB图像进行聚类,以初步分割出猕猴桃果萼;对RGB图像进行灰度化,并采用最大类间方差法对灰度图像进行阈值分割,基于阈值分割后的二值图像提取猕猴桃的边缘区域;基于K-means聚类分割的结果与猕猴桃边缘区域的二值图像提取果萼的聚类,再利用数学形态学处理精确提取出猕猴桃的果萼。求取果萼区域最小外接矩形的长宽比,并根据长宽比进行猕猴桃正常果与膨大果的判断与识别。【结果】对提取的猕猴桃果萼特征的统计分析表明,当猕猴桃果萼区域最小外接矩形的长宽比值大于1.6时为膨大果,否则为正常果,利用该算法对‘海沃德’猕猴桃膨大果的总体正确识别率为91.5%。【结论】基于K-means聚类分割算法和果萼形状上的差异所提出的猕猴桃膨大果无损、便捷检测方法,为猕猴桃膨大果的工业化在线检测及基于手机平台的猕猴桃膨大果识别软件的开发提供了新思路。     

图像分割算法在肉鸡深度图集上的研究

【目的】针对在复杂环境背景中难以识别分割多只肉鸡的问题,探讨基于深度学习实现对多只肉鸡深度图像分割的方法。【方法】利用深度相机,通过不同的拍摄角度（俯视、正视、侧视）在自然环境下采集肉鸡不同姿势（站立、俯卧、抬头、低头等）形态的深度图像,并使用CVAT标注软件对深度图像进行精确标注,建立肉鸡深度图数据集（含4 058张深度图像）。利用FCN、U-Net、PSPNet、DeepLab和Mask R-CNN等5种神经网络实现肉鸡深度图像的识别与分割,根据测试集得到预测结果,比较与评估不同模型的性能,实现对肉鸡深度图像的识别与分割。【结果】基于Mask R-CNN神经网络模型的识别分割准确率为98.96%,召回率为97.78%,调和平均数为95.03%,交并比为94.69%,4个指标值均为5个模型中的最优值。【结论】基于Mask R-CNN神经网络的算法简单快速,且能准确实现肉鸡的自动识别与分割,对肉鸡遮挡有较佳的鲁棒性,基本可以满足养殖场鸡群均匀度预测的识别分割要求。促进了计算机视觉在现代农业的应用,可为鸡群计数、鸡群均匀度预测以及肉鸡福利饲养等鸡场作业提供理论和实践基础。     

基于G-MRF模型的玉米叶斑病害图像的分割

【目的】图像分割是作物病害自动识别系统实现的难点之一,前人研究大多采用基于阈值或聚类的分割算法,方法简单、易于实现,但分割精度较低。本文引入高斯模型的Markov随机场分割模型(G-MRF),对玉米叶部病斑图像进行分割试验,以期提高分割精度。【方法】在VC6.0下实现了G-MRF分割模型,G-MRF既利用了图像像素的灰度信息,又通过像素类别标记的Gibbs光滑先验概率引入了图像的空间信息,是能较好地分割含有噪声图像的算法。采用该算法对大斑病、小斑病、灰斑病和弯孢菌叶斑病等4种主要玉米叶部病害的图像进行了分割测试,并与基于阈值和基于Gauss模型的分割算法进行比较。【结果】基于G-MRF分割模型的分割,目标区域的一致性和边缘的清晰方面明显好于基于阈值和Gauss模型的分割算法,其平均正确分类率达96.35%,分别较基于阈值和基于Gauss模型的分割算法高出3.75%和4.03%,差异达到显著水平。【结论】基于G-MRF模型的分割算法鲁棒性高,能够有效地将病斑区域从叶片部分离,分割正确分类率达96.35%,可用于玉米叶斑类病害图像的分割。     

基于K-means与KNN的多特征苹果在线分级

【目的】准确获取红富士苹果的分级指标，为实现多特征融合的苹果分级提供依据。【方法】以均值滤波、全局亮度均衡化与图像裁剪方法，预处理实验所需的苹果图像；使用K-means聚类算法、OTSU最大类间方差法，将苹果灰度图转换为二值图；利用二值图与苹果原图的异或运算，提取苹果轮廓；采用苹果的二值图计算苹果的果实区域大小；使用颜色空间转换RGB-HSV中H通道划分果实红色区域；通过构建掩膜、形态学操作判断果体是否含有缺陷及计算其面积；构建最小外接矩形计算苹果的果径及果形；利用KNN分类算法实现多特征融合的苹果在线自动分级。【结果】基于K-means聚类与KNN分类相结合的苹果在线分级方法，在优于传统图像阈值分割效果的基础上，特级果分级准确率为97.14%,一级果分级准确率为100%,二级果分级准确率为93.75%,等外果分级准确率为100%,综合分级准确率达到97%。【结论】100个苹果测试准确率达到97%,验证了该分级方法的可行性与准确性。     

基于光谱与图像信息的杏鲍菇多糖含量检测

【目的】利用高光谱成像技术实现杏鲍菇Pleurotus eryngii多糖含量的快速无损检测。【方法】利用高光谱图像采集系统获取350～1 021 nm波长范围内的杏鲍菇高光谱图像,同时利用苯酚–硫酸法测定对应样本的多糖含量。通过波段运算和阈值分割构建掩膜图像,使样本与背景相分离。采用主成分分析(PCA)处理原始高光谱图像,获得代表原始图像99%信息的2个主成分图像(PC1、PC2),然后利用连续投影算法(SPA)选出554.4、772.8、811.4、819.1、855.6、986.3和1 019.5 nm 7个特征波长及对应的光谱特征,分别提取7个特征波长图像和2个主成分图像的纹理与颜色特征,最后利用偏最小二乘回归(PLSR)建立杏鲍菇样本基于不同图像特征与多糖含量之间的关系模型。【结果】从校正集决定系数(Rc2)来看,基于特征光谱+特征波长图像特征+主成分图像特征的模型效果最好,Rc2=0.954,RMSEc=0.341;从预测集决定系数Rp2来看,基于特征光谱+特征波长图像特征的模型效果最好,Rp2=0.868,RMSEP=0.539。【结论】该研究结果可为杏鲍菇多糖含量的快速、无损检测提供一定的参考。     

基于NCSPSO－AFSA优化SVM的林木冠层图像分割

【目的】对林木冠层图像采用NCSPSO-AFSA优化支持向量机(SVM)进行图像分割,提取树干分割图,以进一步提高分割效果。【方法】对现有的小生境和交叉算子的粒子群算法(NCSPSO)进行优化,并与人工鱼群算(AFSA)混合,寻找最优惩罚系数C和高斯核函数中的参数γ;然后运用SVM方法对训练样本进行综合训练,以建立最佳分类模型;最后对香樟树、马褂木和杨树的冠层图像进行分割,并与AFSA算法、NCSPSO算法的分割效果进行比较。【结果】AFSA、NCSPSO、NCSPSO-AFSA算法的平均运行时间分别为178.909,154.661和97.213s,平均分割准确率分别为90.83%,94.08%和98.90%,表明改进的NCSPSO-AFSA混合算法在效率上较其他2种算法提高了63%以上,而且分割准确率提高了5%~8%。【结论】运用NCSPSO-AFSA优化SVM方法对林木冠层图像进行树干图像分割,可得到最佳分割效果。     

棉田复杂背景下棉花叶片分割方法

【目的】解决棉田复杂背景下棉花叶部病害快速识别问题,为提出一种快速提取棉花植株和分割棉花叶片的方法。【方法】通过棉花植株的RGB颜色特征将植株与土壤进行分离,结合形态学处理技术和彩色分割方法,将植株的茎秆去除,保留棉花叶片部分;分别使用广度搜索分割算法、分水岭分割算法和轮廓搜索分割算法,对棉花叶片图像进行分割提取。【结果】基于广度搜索的分割算法将叶片轮廓搜索出来与原图融合分离出叶片,该算法对于图像结构简单的情况分割效果较好,通过对应的drawContours函数将每个轮廓画出,再与原图定位,将叶片的完整信息也轮廓结合,实现叶片的分离。【结论】基于距离变换的分水岭分割算法存在过分割问题,基于广度搜索分割算法与边缘检测结合对于叶片结构清楚图像分割效果显著,与轮廓搜索算法相比,后者的适用性更广,提取的轮廓层次结构也清楚,分割效果最佳。     

基于双重稳健回归的果树行间可行驶区域识别算法

【目的】提出一种复杂环境下以天空为背景的果树行间可行驶区域识别算法，以便农业机器人导航系统中工作路径的提取。【方法】通过蓝色分量(B分量)进行树冠和背景天空的分离，改进Otsu算法实现更好的分割效果，形态学处理后根据树顶分布规律，进行动态阈值“V形”感兴趣区域寻找及特征点提取，使用泰尔-森稳健回归剔除干扰点后，使用随机采样一致性(Random sample consensus,RANSAC)算法进行拟合，得到树顶处直线，通过斜率变换关系得到可行驶区域边缘直线斜率，利用剔除后特征点信息和剔除阈值获得关键点坐标，以斜率为约束条件，代入关键点，得到可行驶区域边缘直线方程，并使用最小二乘法进行拟合，以此实现可行驶区域识别。【结果】试验结果表明，本文双重稳健回归算法较泰尔-森算法和RANSAC算法平均偏差角度分别减小了8.28%和9.88%，标准差分别减少了6.25%和22.89%，准确率分别提高了4.64%和10.49%。【结论】研究结果可为农业机器人在大多数标准化果园复杂环境中的可行驶区域识别和路径提取提供研究思路。     

基于图像分割和深度学习的人造板表面缺陷检测

【目的】针对板式家具零件表面缺陷人工检测过程存在的检测效率低、准确率低、检测结果无法数字化存储等问题,提出了一种基于图像分割和深度学习算法的饰面人造板表面缺陷的检测方法。【方法】利用工业相机采集人造板图像,构建缺陷数据集,采用全局阈值和局部动态阈值算法分割表面缺陷与图像截取,通过将ReLU6非线性激活函数替代ReLU函数,并引入倒残差结构的方法,优化MobileNetv 2深度学习网络,进行缺陷识别与分类。【结果】该方法对饰面人造板表面崩边和划痕缺陷的检测精确率分别达到了93.1%和97.5%,召回率分别为95.3%和97.6%,单张板件平均检测用时为163 ms。【结论】本研究提出的方法具有较高精度与稳定性,可解决传统人工检测方法的准确率低、效率低等问题,为家具板材表面缺陷的自动化检测提供新思路。图6表3参21     

基于光源不变图和聚类算法的叶片阴影中病斑的分割

【目的】提出了一种基于光源不变图的病斑分割方法,以提高病斑识别程序的准确性和稳定性。【方法】将阴影区和非阴影区视为不同光源照明,通过最小熵法计算原图的光源不变图,在该图上采用K均值聚类算法对病斑进行分割,以采集的病斑叶片为材料,对该方法的处理效果进行验证。【结果】比较光源不变图法和H分量法的处理结果后发现,采用光源不变图法处理病斑不同区域的平均差异较H分量法更低,仅为10.7%;聚类分割算法对使用光源不变图法处理病斑图像的分割准确率为95.0%,较H分量法具有更高的正确率,且误检率更低。【结论】采用光源不变图法对病斑图像处理的效果好、性能稳定,同一目标在不同光照条件下处理结果的一致性较高。     

枝条遮挡下单个苹果目标识别与重建的研究

【目的】研究枝条遮挡情况下单个苹果目标的识别,为复杂生长环境下苹果目标的准确识别与定位及实现自动采摘提供支持。【方法】针对果实目标受枝条遮挡影响被分割成几个部分,从而严重影响果实目标准确识别的现状,以枝条遮挡下的苹果目标为研究对象,选用基于Lab颜色空间的Kmeans聚类算法对苹果目标进行分割,再通过数学形态学方法对目标苹果轮廓进行提取,然后根据最小外接矩形法去除目标苹果的伪轮廓,最后利用轮廓的曲率特征对目标苹果进行重建,并对分割与重建结果进行了方法验证。【结果】利用基于Lab颜色空间下的Kmeans聚类算法和最小外接矩形法可有效提取出苹果目标的真实轮廓,能够与苹果目标边缘线达到高度重合,同时可获得较准确的重建结果。对10幅枝条遮挡果实目标的识别、定位与重建的验证结果表明,该方法对目标苹果进行分割与重建的平均分割误差为13.83%,平均重叠系数为88.08%,假阳性率和假阴性率分别为1.22%和11.92%,目标苹果重建准确率均在84.00%以上,平均重建时间为24.40 s。【结论】应用本研究中的方法可对枝条遮挡下的苹果目标进行准确识别、定位与重建,有效缩短重建时间。     

枝条遮挡下单个苹果目标识别与重建方法的研究

【目的】研究枝条遮挡情况下单个苹果目标的识别,为复杂生长环境下苹果目标的准确识别与定位及实现自动采摘提供支持。【方法】针对果实目标受枝条遮挡影响被分割成几个部分,从而严重影响果实目标准确识别的现状,以枝条遮挡下的苹果目标为研究对象,选用基于Lab颜色空间的K-means聚类算法对苹果目标进行分割,再通过数学形态学方法对目标苹果轮廓进行提取,然后根据最小外接矩形法去除目标苹果的伪轮廓,最后利用轮廓的曲率特征对目标苹果进行重建,并对分割与重建结果进行了方法验证。【结果】利用基于Lab颜色空间下的K-means聚类算法和最小外接矩形法可有效提取出苹果目标的真实轮廓,能够与苹果目标边缘线达到高度重合,同时可获得较准确的重建结果。对10幅枝条遮挡果实目标的识别、定位与重建的验证结果表明,该方法对目标苹果进行分割与重建的平均分割误差为13.83%,平均重叠系数为88.08%,假阳性率和假阴性率分别为1.22%和11.92%,目标苹果重建准确率均在84.00%以上,平均重建时间为24.40s。【结论】应用本研究中的方法可对枝条遮挡下的苹果目标进行准确识别、定位与重建,有效缩短重建时间。     

成像环境因素对烟叶图像采集结果的影响及校正研究

【目的】研究灯箱中采集烟叶图像时照明电压、不同品牌数码相机、聚焦距离及相机分辨率等成像环境因素对图像识别结果的影响，用相对颜色法对因成像环境因素影响而引起的烟叶图像颜色变异进行实时校正。【方法】通过试验筛选出颜色表现稳定的聚四氟乙烯材料作为颜色参照白板，在灯箱环境中，设置不同的因素处理，用数码相机同期采集烟叶与颜色参照白板图像，通过分析烟叶图像R、G、B颜色特征变化来确定成像环境因素构成的影响。提取烟叶图像三颜色分量与颜色参照白板对应颜色分量的比率，即相对颜色分量作为校正烟叶图像识别误差的特征参量。【结果】照明电压、不同品牌数码相机、相机分辨率相同而聚焦距离不同均使烟叶图像颜色产生变异，从而出现识别误差。【结论】相对颜色法能够实时校正识别误差，降低因成像环境因素影响而产生的颜色变异，为规范烟叶图像的数字采集环境奠定了基础。     

基于低空遥感的果树冠层信息提取方法研究

【目的】 果树冠层信息是反映果树生长状况的重要参数,准确提取果树的冠层信息对于果园的精细管理十分必要。【方法】 文章以苹果树和桃树为研究对象,利用无人机遥感获取果园影像数据,首先通过Mask R-CNN实例分割算法对果园果树冠层进行逐一分割,同时提取果树冠幅和冠层面积信息。然后利用果园正射影像结合QGIS软件,对果树冠层位置信息进行提取和可视化并通过目视解译对果树冠层参数信息提取结果进行评估。【结果】 当交并比为0.5时,模型检测分割结果最优,测试集语义分割精确度为66.3%,目标检测精确度达到63.9%。总体冠层面积实测值与模型预测面积之间的平均相对误差为12.44%,均方根误差为0.5 m²。冠幅实测值与模型预测的面积之间的平均相对误差为16.39%,均方根误差为0.39 m,在一定范围内验证了模型对冠层面积和冠幅信息提取的可靠性。【结论】 结合无人机遥感数据和Mask R-CNN实例分割算法可有效地将果树冠层分割出来,并且能够较为准确地提取果树冠层的相关参数信息,可为果园的精细管理提供一定的技术支撑。     

基于改进模糊C均值聚类算法的草坪杂草识别

【目的】为了实现草坪杂草管理的精准化施药,针对自然环境中杂草与草坪颜色相近导致杂草难以分割的问题,提出一种改进模糊C均值(Fuzzy C-means, FCM)聚类的分割算法。【方法】利用超绿算子提取感兴趣区域,融合HSV空间的多通道信息进行图像预处理,扩大杂草与草坪的特征差异。使用区域面积约束滤波范围,去除预处理图像中的草坪背景噪声,降低中值滤波造成的目标区域灰度级损失。提出一种各向灰度分布差异(Difference of gray distribution, DGD)检测算子,在聚类过程中引入像素周围不同方向的灰度分布差异特征实现草坪杂草分割。【结果】与传统FCM、FCM-S2、FCMNLS以及RSFCM算法相比,本文算法对大多数噪声区域抑制效果较好,可以实现较为理想的杂草分割效果。本文算法能有效分割草坪杂草,平均分割准确率达到91.45%,比FCM、FCM-S2、FCMNLS和RSFCM算法分别提高16.35%、4.12%、6.80%和8.06%。【结论】本文算法可有效地分割自然环境中的草坪杂草,为草坪杂草精准化施药提供了条件,具有实际应用价值。     

矩形断面明渠均匀流水力计算的直接计算公式

【目的】寻求矩形断面明渠均匀流水深和渠道底宽的直接计算公式。【方法】通过对矩形断面明渠均匀流水力计算公式进行恒等变形,推导出计算矩形明渠均匀流水深和渠道底宽的迭代公式,再与合理的迭代初值配合使用。【结果】得到矩形明渠均匀流水深和渠道底宽的直接计算公式,误差分析及实例计算表明,在工程常用范围内,矩形均匀流水深和渠道底宽的最大相对误差均小于0.2%。【结论】该公式形式简捷,计算精度高,能满足工程实践要求。