图像处理技术在农业工程中的应用

安徽农业科学，ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｎｈｕｉＡｇｒｉ．Ｓｃｉ．２００５，３３（４）：６７８—６７９

责任编辑孙红忠责任校对孙红忠

图像处理技术在农业工程中的应用

胡涛（武汉工业学院电气信息工程系，湖北武汉４３００２３）

摘妻介绍了动态图像处理技术及其在农业工程中的应用概况，并对存在的问题提出了建议。

关键词

图像处理：动态检测；农业５－程

文献标识码Ａ

文章编号０５１７—６６１ｌ（２００５）０４—０６７８—０２

中图分类号Ｓ１２６

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图像处理技术研究始于２０世纪６０年代．７０年代开始２动态图像处理技术在农业工程中的应用

２．１在农产品生产及加工工程中的应用２０世纪７０年代，国外开始在农产品的生产和加工工程中应用图像处理技术。经过３０多年的发展，动态图像处理技术在农产品工程中的应用已涉及农产品生长过程检测，自动收获，产品的质量分级以及农产品的产后加工与包装等领域。

２．１．１精细农业作业与农产品长势监测。农产品生产已由传统的农业生产方式发展成为精细农业作业，根据作业处方图或动态图像处理技术进行变量施肥和农药喷洒。自动喷洒农药或施肥机械必须在作业过程中动态地对农作物和杂草进行识别．然后对杂草定量喷洒农药或对作物植株定量施肥，从而达到农药和化肥使用的高效无污染的要求。

农业的大面积高效作业往往需要采用农用无人驾驶飞机对农产品的长势进行监测，目前动态图像处理系统通过ＣＣＤ摄像机或红外成像仪来获取飞机当前所在位置的地面图像，然后再调入事先输入的图像数据进行模拟匹配动态的检测飞机当前位置并完成飞机飞行轨迹的跟踪。利用动态图像处理和图像数据库检索技术进行模式匹配对运动目标动态定位技术在西方发达国家的军事中已得到广泛运用，但在精确农业中，随着利用全球定位系统对无人驾驶飞机进行定位与轨迹技术的不断成熟，将使动态图像技术在

步入活跃的研究阶段，但基于帧间信息研究的动态图像处理技术８０年代才开始兴起。动态图像处理系统主要用于工

业工程、医学影像以及军事等领域，在农业工程中的应用起步较晚，但前景广阔。动态图像处理技术在农业工程应用中涉及的领域已包括视觉模拟，农业作业过程在线检测，农产品分级，自动收获机械，农机的性能测试与研究等方面。笔者介绍了动态图像处理系统及其在农业工程应用中的研究

进展，并对应用中存在的问题提出了几点建议。

１动态图像处理系统的组成

动态图像处理系统主要有辅助光源，图像序，带有专用镜头的高速摄像机，图像采集卡．计算机系统的图像输出存储设备５个部分。其相互之间的关系如图１所示。

图１动态图像处理系统的组成

今后的大面积农业应用中更为经济适用。

２．１．２农产品自动收获。大面积的农产品收获作业通常使

实质上．动态图像采集系统的主要元件是高速摄像机，其核心部件是图像传感器。目前常用的高速摄像机主要有２大类，即ＣＣＤ阵列摄像机和基于ＣＭＯＳ技术的摄像机。ＣＣＤ摄像机内的图像传感器是一个电耦合器件的光电传感器，它的每个像素都有一个光电检测器，可将反映对象、背景的光信号以电信号的形式记录下来。但随着ＣＭＯＳ技术的发展，ＣＣＤ在图像处理中的主导地位正被逐步取代。ＣＭＯＳ摄像机内部的图像传感器能够将光敏单元阵列。控制信号处理电路，Ａ／Ｄ电路高度集成在一块芯片上。从ＣＭＯＳ摄像机得到的图像已经被数字化，可以直接用于数字图像处理。

作者简介胡涛（１９７７一），男，湖北鄂州人，助教，从事科技成果转化和

农业可持续发展研究。

收稿日期２００５．０３—１８

用自动收获机械来完成，自动收获机主要分为收获机构、行走机构和视觉系统。动态图像处理在自动收获机械中的应用主要分为２个方面：对果实等目标物体的识别和三维空间定位，利用动态图像处理系统来控制行走机构避让障碍物。

对果实的识别主要是静态图像处理与人工智能的模匹配问题。利用动态图像对果实进行定位时，自动收获机械首先通过图像处理系统对获得的果实图像信息进行处理并判断果实是否成熟．然后通过单个摄像机加激光装置或多个摄像机对成熟的果实进行空间定位。双目结构具有仿人眼功能，它利用２台摄像机和目标之间形成一定的空问几何关系。经过摄像机的标定和坐标转换从而对目标物体的三维空间位置进行定位以及目标的三维重构。如图２所示，收获机械手根据摄像机拍摄的基于时问序列的动态图像来及时更新其相对于果实的位置，最终准确地摘取果实。

万方数据　

３３卷４期胡涛图像处理技术在农业工程中的应用

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但常用的手段难以精确测量抛土率。李伯全［２１等利用基于时间序列的动态图像处理技术定量地描述了抛土率，并对抛土率理论模型进行了验证。还利用摄像机以获得旋耕机抛土过程中土粒的运动参数，为进一步提高旋耕机的性能研

图２双目摄像机空间三维定位系统示意图

究提供了基础。

随着精确农业的兴起。变量喷雾技术的应用也越来越

自动收获机械进行避障是通过装备在收获机械上的单一或多个ＣＣＤ摄像机动态地获取当前自动收获机械所处的路况．并将所获得的图像序列输入计算机进行一般的图像处理，判断前面是否有障碍物，从而动态地判断自动收获

广泛．喷雾装置中的喷头是变量喷雾的重要部件，其参数的

不同对于整个变量喷雾的效果有着重要的影响。如何对喷头的形状、口径等性能参数进行研究已成为变量喷雾装置技术研究的热点。采用摄像机对喷雾图像进行动态拍摄，通过专用的动态图像处理软件可以对喷雾的空间质量分布、速度矢量场进行精确测量。现在用于喷雾研究的ＤＰＩＶ技术

（Ｄｉｇｉｔａｌｐａｒｔｉｃｌｅｉｍａｇｅｖｅｌｏｃｉｍｅｔｒｙ）和ＳＰＩＶ技术（Ｓｔｅｒｅｏｓｃｏｐｉｃｐａｒｔｉｃｌｅｉｍａｇｅｖｅｌｏｃｉｍｅｔｒｙ），可以通过高速摄像机直接记录来

机械的行走路径以达到避障的功能。农业自动收获机械通

常需要在较为复杂的环境中工作，其视觉导航系统必须具备实时地将障碍物和背景分开的功能，高速图像处理硬件和合理算法是保证实时性要求的基础。

２．１．３农产品产后品质分级及包装。随着数字信号处理技

术和高速摄像机技术的快速发展，人们开始将动态图像处

理应用于农产品的产后处理及包装等领域，其中最为典型的例子就是水果品质智能化检测和分级生产线。该系统主要分为：水果输送系统，图像采集系统，计算机视觉系统。水果分级系统由于水果智能化检测和分级系统需要实时、快速、准确等性能要求，所以在计算机视觉识别系统部分可以采用高速摄像机动态地监控水果输送系统。例如何东建等利用计算机视觉技术和人工神经网络技术，建立了以果实形状、颜色和缺陷为判别依据的苹果外观品质综合分级系统，实验结果表明，该系统能够实现对苹果综合外观品质的正确检测与分级，准确率达９０．８％。

在农产品加工自动化的应用中，还可以利用图像形态学，人工神经网络原理，Ｘ射线成像技术和激光三维成像技术与动态图像处理技术相融合，快速准确地检测肉类产品内部残留的骨头碎片和污染物。

一些农产品的包装与储藏常用铝制罐和玻璃瓶等包装产品，这些产品的品质检测往往应用动态图像处理技术。例如，对装入农副产品的铝制的外表是否存在凹陷的品质检测．对装有农副产品的玻璃瓶瓶ＥＩ裂纹的动态检测等等。２．２在农业机械性能研究和评定中的应用农业的发展离不开农业机械化与自动化。在以往对农机具性能参数的测试研究中很难做到对一些现象的动态过程进行观测与研究，动态图像技术尤其是高速摄像机技术的发展为农机具的性能参数的瞬时变化测试与研究提供了技术基础。例如，旋耕机作为主要的农业机械，如何对旋耕机主要的性能参数动态测试和定量分析是提高旋耕机性能的关键，研究旋耕机的抛土性能与其结构参数的关系．确定优化的结构参数和运动参数是提高旋耕机工作质量、降低能耗的关键，

测算粒子的三维速度。研究人员通过对拍摄到的图像序列的处理可以精确地了解不动结构的喷头在一定的压力下进行喷雾的情况．为改善喷头的性能参数提供了依据。３结束语

近几年动态图像处理技术在国外农业工程中得到了应用．相应地出现了许多新的方法和理论与之相融合，也取得了一些成果。如水果品质动态检测系统、自动收获机器人技术等。但由于我国在这方面起步很晚，与国外相比仍存在很多不足。首先，在动态图像处理系统中，由于动态图像处理需要很高的帧速．这势必减少摄像机在拍摄每帧图像时的进光量，导致图像质量下降，在试图采用提高镜头折射率和增大辅助光源强度的方法解决这一问题的同时，还可以考虑结合其他硬件或图像增强软件等方法以弥补进光量的不足。在运动背景下如何做到多目标动态图像处理仍停留在实验阶段。其次，农业工程中的图像由于受生物多样性、气候和环境等因素的影响，相对于工业图像处理要复杂得多，如何将相对成熟的工业动态图像处理技术应于农业工程，许多关键技术有待解决。

总之，动态图像处理技术为农业工程的发展开辟了新的发展道路，我国的农业也开始步人精确农业的道路，相信在不久的将来，不断完善的动态图像处理技术将会在农业工程中得到更广泛的应用。参考文献

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２李伯全．基于时间序列图像处理估计被抛土粒运动参数【Ｊ】．江

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３李壮云．双层高压细水雾灭火喷嘴雾化特性实验研究［Ｊ］．武汉

化工学院学报，２００３，２５（２）：４９—５０．

（上接第６６１页）

因素。在孵化育苗时要严把水的净化和处理关。３．２水流影响鳜卵的正常发育

孵化缸与环道内的鳜卵

围氧分压值低，因此，水流影响鳜的胚胎发育，是鳜卵破膜的重要决定因素之一。参考文献

１赵风洋．鳜鱼人工繁殖及夏花培育技术【Ｊ］．水产养殖，１９９５（５）：

发育情况比较研究显示，环道中的卵３８ｈ破膜，而孵化缸中的卵４２ｈ后仍未破膜。镜检发现静水环境中的胚胎处于破膜前期，盆中的水质、光照、水温等与环道中几乎一致，所不同的是孵化缸内的卵没有得到流水的刺激以及卵膜周

２茹．鳜鱼繁殖中亲鱼的选择与培育『Ｊ】．科学养鱼，１９９７（２）：１６．３陶桂庆．鳜鱼的人工繁育技术［Ｊ］．弹养鱼，１９９９，（６）：２０－２１．

万方数据　

图像处理技术在农业工程中的应用

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：

胡涛， HU Tao

武汉工业学院电气信息工程系,湖北武汉,430023安徽农业科学

JOURNAL OF ANHUI AGRICULTURAL SCIENCES2005,33(4)3次

参考文献(3条)

1. 何东健;张海亮 农业自动化领域中计算机视觉技术的应用[期刊论文]-农业工程学报 2002(02)

2. 李伯全 基于时间序列图像处理估计被抛土粒运动参数[期刊论文]-江苏大学学报(自然科学版) 2002(02)3. 李壮云 双层高压细水雾灭火喷嘴雾化特性实验研究[期刊论文]-武汉化工学院学报 2003(02)

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4. 赵学增. 杨延竹. 王伟杰. 吴羡 计算机技术在苗木自动分级中的应用发展概况[期刊论文]-林业科学2004,40(3)5. 王双喜. 董晓志. 王旭. WANG Shuang-xi. DONG Xiao-zhi. WANG Xu 温室植物病害数字化处理中图像增强方法的研究[期刊论文]-内蒙古农业大学学报（自然科学版）2007,28(3)

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引用本文格式：胡涛. HU Tao 图像处理技术在农业工程中的应用[期刊论文]-安徽农业科学 2005(4)