基于近红外图像的温室小型西瓜采摘信息获取技术

为实现温室立体栽培模式下小型西瓜的识别与空间定位,研究了基于近红外图像的西瓜采摘信息获取方法。测定、比较西瓜果实与茎、叶的光谱反射率,确定波长850 nm附近波段为区分西瓜与背景的最佳波段,在光强差异较大的两时段内采集了最佳波段下的西瓜近红外图像;通过Otsu算法滤除背景信息,利用"米"字型模板检测得到"浓缩西瓜"区域,实现西瓜果实识别;使用形心坐标计算公式获得采摘点坐标;根据西瓜果梗生长特性,利用分块定位算法获得切割点坐标信息。在温室环境下随机选择拍摄50幅有西瓜图像和20幅无西瓜图像进行识别算法验证,并对识别成功的有西瓜图像进行采摘点与切割点提取算法验证。结果表明,有西瓜图像识别成功率为86%,无西瓜图像为95%;采摘点、切割点定位准确度分别为93.0%、88.4%。     

温室环境下黄瓜采摘机器人信息获取

研究基于近红外图像的黄瓜果实与茎叶的信息表达方法，有效实现了近色系生物信息的图像识别。分析了黄瓜采摘深度图像信息的特点，通过建立基于灰度相关与极线几何相结合的匹配策略实现了双目视觉下的黄瓜抓取点的立体匹配和三维重建。研究温室环境下不同时间光照强度变化特点，建立了光照分析模型，提高了不同光照条件下的导航线提取的适应性。试验表明机器人视觉系统能有效识别、定位果实的空间位置，定位误差控制在±     

温室环境下黄瓜采摘机器人信息获取

研究基于近红外图像的黄瓜果实与茎叶的信息表达方法,有效实现了近色系生物信息的图像识别。分析了黄瓜采摘深度图像信息的特点,通过建立基于灰度相关与极线几何相结合的匹配策略实现了双目视觉下的黄瓜抓取点的立体匹配和三维重建。研究温室环境下不同时间光照强度变化特点,建立了光照分析模型,提高了不同光照条件下的导航线提取的适应性。试验表明机器人视觉系统能有效识别、定位果实的空间位置,定位误差控制在±5mm以内。     

基于视触觉感知的番茄尺寸和姿态解析方法

针对传统农业机器人抓取过程中视觉识别番茄果实尺寸和姿态存在枝叶遮挡的问题,提出了一种基于视触觉感知的番茄尺寸和姿态解析方法。在果实抓取过程中通过视触觉传感器得到果实外轮廓接触局部点云信息,然后通过相机参数标定以及各手指关节变换矩阵,将不同传感器坐标系下的点云信息变换到同一基坐标系下,进而通过点云改进PCA算法和ICP算法解析抓取果实的尺寸和姿态信息。为了评估所提出解析方法的性能,在实验室环境下进行了番茄尺寸和姿态检测试验。通过游标卡尺测量和深度相机扫描分别获得番茄果实尺寸和姿态的真实值,并与本文方法解析结果进行对比。检测试验结果表明,本文方法获得的番茄横向尺寸和纵向尺寸平均相对误差分别为8.66%和11.08%,番茄果轴与视场投影面的水平夹角和垂直偏转角平均相对误差分别为10.03%和14.02%。本文方法解析的番茄果实尺寸与姿态信息,可应用于番茄果实抓取过程中的姿态调控,从而提高番茄果实抓取采摘的可靠性。     

基于光谱成像技术的温室黄瓜识别方法

为实现温室环境下近色系果蔬的采摘识别,提出了一种基于统计方差结合人工神经网络的光谱选择方法对黄瓜敏感波段进行分析验证,并将选定的光谱组合作为温室黄瓜识别中光谱图像获取的参考依据。结果表明,利用所摄敏感波段的图像信息可有效地解决黄瓜目标与背景的区分问题。综合比较黄瓜作物(果实、叶、花)在不同光谱域的分光反射特性差异,利用方差分解方法获取果实信息的敏感波段,在敏感区域内进行主成分分析,将前4个主成分作为网络输入、作物器官类别作为输出,建立3层BP—ANN验证模型。将160个样本数据按比例分为建模集和预测集,模型对建模集120个样本的正确判别率为100%,对预测集40个样本的正确判别率为95%。说明敏感波段的选择能较好地反映黄瓜作物不同器官间的特性差异。     

基于高光谱病害特征提取的温室黄瓜霜霉病早期检测

针对温室黄瓜早期霜霉病高光谱图像田间采集环境光照的影响及有效病害特征难以提取的问题，提出融合病害差异信息改进的竞争性自适应重加权算法(Competitive adaptive reweighted sampling, CARS)和连续投影算法(Successive projections algorithm, SPA)相结合的特征波段提取方法，并建立了黄瓜霜霉病早期检测模型。首先，采集黄瓜健康叶片和染病12d内每天的高光谱图像，按病程分为7类；提取感兴趣区域，并计算平均光谱作为光谱数据；采用包络线消除法确定霜霉病害差异波段，基于病害差异波段采用CARS对7个不同阶段的光谱数据分别提取特征波段，再利用SPA进行二次降维寻优；最后，将各特征波段组合，得到47个特征波段数据，据此建立最小二乘-支持向量机(Least square support vector machines, LSSVM)模型，用于病害检测。在94个叶片样本组成的测试集上进行了病害检测实验，结果表明，融合病害差异信息的Dis-CARS-SPA-LSSVM对染病2d到发病12d均能取得100%的检测识别率；对染病1d的测试集检测识别率达到95.83%，其中染病样本的召回率达到100%，相较于未融合病害差异信息的CARS-SPA特征提取方法识别率高4.16个百分点。说明所提出的Dis-CARS-SPA-LSSVM模型能够有效实现温室黄瓜霜霉病害的早期检测。     

基于改进Faster R-CNN的苹果采摘视觉定位与检测方法

针对采摘机器人对场景中目标分布密集、果实相互遮挡的检测及定位能力不理想问题,提出一种引入高效通道注意力机制(ECA)和多尺度融合特征金字塔(FPN)改进Faster R-CNN果实检测及定位方法。首先,利用表达能力较强的融合FPN的残差网络ResNet50替换原VGG16网络,消除了网络退化问题,进而提取更加抽象和丰富的语义信息,提升模型对多尺度和小目标的检测能力;其次,引入注意力机制ECA模块,使特征提取网络聚焦特征图像的局部高效信息,减少无效目标的干扰,提升模型检测精度;最后,采用一种枝叶插图数据增强方法改进苹果数据集,解决图像数据不足问题。基于构建的数据集,使用遗传算法优化K-means++聚类生成自适应锚框,提高模型定位准确性。试验结果表明,改进模型对可抓取和不可直接抓取苹果的精度均值分别为96.16%和86.95%,平均精度均值为92.79%,较传统Faster R-CNN提升15.68个百分点;对可抓取和不可直接抓取的苹果定位精度分别为97.14%和88.93%,较传统Faster R-CNN分别提高12.53个百分点和40.49个百分点;内存占用量减少38.20%,每帧平均计算时间缩短40.7%,改进后的模型参数量小且实时性好,能够更好地应用于果实采摘机器人视觉系统。     

茄子采摘机器人末端执行器设计

为了满足茄子采摘机器人的可靠性和安全性需要,设计研制了一种茄子采摘机器人的末端执行器。该末端执行器主要由传动机构、切割机构和抓取机构等几大部分组成,具有节省动力源、结构简单、体积小、质量轻等特点。设计的抓取机构对指定有效范围内(直径3～6.5cm)的茄子收获比较可靠,不伤果实;切割机构能够高质量地完成切割。经实验测定表明:对不同位置和不同大小的茄子进行抓取的成功率为92.76%,证实所研制机构能够顺利完成茄子采摘。     

猕猴桃分级果实表面缺陷的检测方法

猕猴桃的自动化分级中最为复杂、费时的是表面缺陷检测.猕猴桃果实表面缺陷主要包括碰压伤、划伤和日灼,检测过程包括缺陷分割和缺陷识别两个阶段.猕猴桃机器视觉采集系统采用近红外光源采集图像,并对采集图像中值滤波法去除图像采集过程中受到的各种噪声的干扰;图像分析获取最佳阈值,最后图像分割得到猕猴桃果实表面的黑色斑点区域,包括真正的缺陷区域和梗萼区域.通过试验表明,近红外光源能有效提取猕猴桃果实表面的划伤、腐烂伤和日灼缺陷,而且近红外光源图像有效地避免了传统光源图像的反射亮斑区域,通过实验结果,分析针对分割出的可疑缺陷区域如何正确识别,可利用双金字塔数据形式的盒维数快速计算方法,提出描述该区域粗糙度和纹理方向性的特征参数,依此来区分真正缺陷和梗萼区域.     

基于立体视觉的水果采摘机器人系统设计

基于立体视觉建立了水果采摘机器人系统.在图像空间利用Hough变换检测出果实目标,并利用随机采样目标上均匀分布多个点的三维坐标信息重建果实球模型,进而获得目标质心的空间位置坐标;通过最小二乘法研究了采摘机器人手眼标定;分析了采摘机器人的轨迹规划.实验结果表明,设计的自动采摘系统可以有效地消除遮挡以及立体视觉匹配失效等因素的影响,目标定位误差小于8 mm,显著地提高了抓取的精度和可靠性.     

面向番茄植株相近色目标识别的多波段图像融合方法

针对温室番茄智能化管理需要，研究茎秆、叶片和绿果等3类相近色目标的多波段图像融合方法，以凸显目标与背景亮度差异，提高目标视觉识别效率。根据其各自在300~1000 nm范围的反射光谱特征差异，建立了针对其光谱数据分类的Lasso正则化逻辑回归模型。基于模型的稀疏解特征，确定具有较大权值系数的450、600和900 nm等3个波段作为最优成像波段，在此基础上构建了温室番茄植株多波段图像在线采集系统。结合最优成像波段下相近色目标图像特征分析，提出了基于NSGA-II的多波段图像加权融合方法，以增强特定目标与近色背景物体的图像亮度差异。最后通过现场试验对多波段图像融合效果进行评估。结果表明，分别以茎秆、叶片和绿果器官作为识别目标，通过多波段图像融合处理后，目标与背景之间的图像灰度差异绝对差值相应达到单波段图像的2.02、8.63和7.89倍，即被识别目标与其他近色背景的亮度差异显著增强，且背景物的亮度波动得到抑制。本研究结果可以为农业环境近色目标视觉识别相关研究提供参考。     

基于近红外光谱的卷烟加料均匀性检测

结合近红外光谱分析技术在烟草分析上的应用,通过对加料后的烟丝进行近红外光谱分析,发现近红外光谱分析法可用于卷烟加料均匀性研究。利用扫描谱图及料液的施加比例,初步探索了卷烟加料均匀性近红外光谱分析的数学建模,模型验证误差＜2%,具有较好的实用价值。      

基于深度学习的水果图像识别系统

随着模式识别领域不断的发展,图像识别作为该领域中的典型应用,受到了众多学者的关注,尤其是在图像快速识别方面。对此,该文将从深度学习的概述入手,选择卷积神经网络算法应用于水果图像识别中。通过对卷积神经网络算法的网络结构以及卷积神经网络训练过程的详细分析,采用卷积神经网络架构设计、分类器设计建构了基于卷积神经网络的水果图像识别系统。并将识别结果与传统水果图像识别结果进行对比验证,为水果图像识别领域提供参考。      

光谱技术在作物病虫害检测中的研究进展及展望

光谱技术检测作物病虫害具有无损、快速、准确等优点.为了充分利用国内外的研究成果,促进我国在该领域的研究与应用,从作物病害和虫害两个方面,综述了基于可见光(包括图像处理)、近红外方法的光谱处理技术在作物病虫害无损检测中的研究进展,分析了各种方法的优缺点.同时,提出了今后应从特征波长选取、早期病虫害检测、实时检测、图像与光谱结合等方面开展深入研究,以实现病虫害的自动检测.     

水果病害视觉与光谱检测技术研究现状及展望

水果病害是影响果树健康生长、果实品质和产量的重要因素之一,及时、精准地掌握果树的病害信息并进行精准施药管控,对防范果园重大病害的发生和流行,保障水果的稳产优产具有重要意义。随着现代农业朝规模化、智能化和高效率的发展需求,视觉和光谱检测技术因具有无损检测、可规模化和高效率等优点,逐渐发展为检测水果病害的重要技术之一。梳理国内外机器视觉和光谱技术在水果病害检测应用领域的研究进展,介绍图像处理技术有较好的解释性,有利于与植保农艺研究相结合;深度学习技术有较好的精度和泛化性;透射光谱技术可用于检测果实内部病害;反射光谱技术可用于检测果实、叶片表面病害,并实现分级。最后,总结未来机器视觉与光谱检测技术优化和应用的方向,并展望水果病害检测的实际生产应用前景,以期为水果病害检测研究提供参考与借鉴。     

基于近红外机器视觉的鱼类摄食强度评估方法研究

在水产养殖中,鱼类的摄食强度可以反映其食欲,准确客观地评估鱼类的摄食强度对指导投喂和生产实践具有重要意义。针对当前鱼类摄食强度评估过程中存在的人工观测效率低、客观性不强的问题,本研究以实现鱼类食欲的自动客观分析为目的,提出了一种基于近红外机器视觉的游泳型鱼类摄食强度的评估方法。首先,利用近红外工业相机搭建了近红外图像采集系统,采集了鱼类摄食过程中的图像。经过一系列图像处理步骤后,利用灰度共生矩阵提取摄食图像的纹理特征变量信息,包括对比度、能量、相关性、逆差距和熵等。之后,将这5个特征变量作为输入向量构建了模型的数据集,并训练了支持向量机分类器。为了提高模型分类的准确率,利用网格搜索法选取支持向量机分类器的最优惩罚系数c和核函数参数g。最后利用训练好的模型将鱼类的摄食强度分为弱、一般、中和强4类,最终实现了鱼类摄食强度的评估。试验结果表明,图像纹理可以较好地描述鱼类摄食过程中的行为变化,正确识别4类摄食强度的准确率达到87.78%,且不需要考虑水花等对成像质量的影响,具有较强的适应性。本方法可用于鱼类食欲的自动客观评估,为后续投喂决策提供理论依据和方法支持。     

基于深度图像的球形果实识别定位算法

为了解决近色背景果实识别困难问题,针对果实近球形的形态特性,提出了一种利用深度图像从果实形态角度进行果实识别定位的算法。该算法使用深度摄像头获取果树的深度图像,通过深度图像计算出各像素点的梯度向量,将梯度向量看作运动矢量场,并计算出矢量场的散度,根据散度最大原则,从矢量场中搜索出辐散中心点;然后利用果实和叶片等深图像的差异从辐散中心点中筛选出果实中心点,以果实中心点为起点采用八方向搜索方法搜索出果实边界点,将果实边界点依次连接后形成的封闭区域内的果实图像导入点云;最后根据果实图像部分点云利用RANSAC算法求出目标果实的拟合球形,进而得出果实的尺寸以及三维空间位置。该算法无需传统算法需要利用的颜色特征,而仅利用了深度图像中的深度信息进行果实识别定位,能够克服传统算法受色彩、光照等因素影响的弊端,并且由于该算法完全没有利用到彩色图像信息,因此不仅可以实现绿色果实的识别定位,还可以实现采摘机器人在夜间环境下正常工作,为复杂环境下的果实识别定位算法研究提供了技术支撑。     

基于椭球变形的植物果实造型

提出了一种适用于植物果实的造型方法。利用椭球曲面参数方程，根据植物果实的特征，对椭球面进行变形，以达到与实物相近的真实效果。重点分析了植物果实与椭球的关系，研究了对椭球面方程进行变形的数学模型。该方法简单直观，生成的图形真实感强，适用于虚拟植物果实的研究。