基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的作物行自動(dòng)定位技術(shù)

1、基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的作物行自動(dòng)定位技術(shù)袁佐云1毛志懷1中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院,100083摘要: 本文針對(duì)多行農(nóng)作物圖像,提出了基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的作物行中心線定位方法。首先運(yùn)用過(guò)綠值分割作物和背景,然后將圖像劃分為若干水平圖像條,對(duì)圖像條列向指標(biāo)值進(jìn)行累加,在累加值曲線上求取顯著峰點(diǎn)的位置。最后,對(duì)位置點(diǎn)進(jìn)行線性回歸,得到作物的行中心線。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了該方法的有效性。關(guān)鍵字曲線峰點(diǎn);作物行;中心線;過(guò)綠特征1.引言由于化學(xué)肥料、化學(xué)農(nóng)藥以及化學(xué)除草劑等在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的大量使用,造成了諸如環(huán)境污染、生態(tài)惡化、農(nóng)藥殘留以及資源浪費(fèi)等大量影響人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的問(wèn)題。農(nóng)業(yè)工程、環(huán)境以及生態(tài)等各方面的專家學(xué)者紛紛

2、從不同的角度研究解決問(wèn)題的方法。在農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域,研制具有定時(shí)、定量和定位等作業(yè)能力的視覺(jué)導(dǎo)航的農(nóng)業(yè)機(jī)械受到國(guó)內(nèi)外的普遍關(guān)注1,2。在田間作業(yè)過(guò)程中,作業(yè)機(jī)械利用視覺(jué)導(dǎo)航系統(tǒng)識(shí)別出農(nóng)作物的行邊界作為行走路徑,根據(jù)作業(yè)機(jī)械與行走路徑的相對(duì)位置計(jì)算出控制量,通過(guò)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)其位置從而跟蹤期望路徑,完成作業(yè)過(guò)程。農(nóng)作物行中心線一般是指農(nóng)作物在播種或栽培過(guò)程中,其種子或幼苗的植入點(diǎn)所構(gòu)成的直線。農(nóng)業(yè)機(jī)械在作業(yè)過(guò)程中,要求視覺(jué)導(dǎo)航系統(tǒng)能夠在較短時(shí)間內(nèi)確定作物行的中心位置,以保證其準(zhǔn)確地對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行作業(yè)操作。2.作物行中心線的定位研究現(xiàn)狀目前常用的行定位方法有:Hough變換法3,4、透視法5等。Hough

3、變換法通過(guò)將圖像空間的直線轉(zhuǎn)化為參數(shù)空間上的點(diǎn),對(duì)所有可能落在直線邊界上的點(diǎn)進(jìn)行累加統(tǒng)計(jì)完成檢測(cè)任務(wù)。由于這種方法利用圖像的全局特性,因此魯棒性很強(qiáng),受噪聲和直線間隔的影響小;同時(shí),Hough 變換運(yùn)用統(tǒng)計(jì)方法檢測(cè)參數(shù)空間,計(jì)算過(guò)程中數(shù)據(jù)處理量大,處理時(shí)間長(zhǎng)。透視法是利用作物行在圖像平面內(nèi)匯聚到一點(diǎn)的特性來(lái)獲取透視點(diǎn),通過(guò)透視點(diǎn)得到作物行中心線的分布。由于該方法利用了作物行的透視點(diǎn),所以對(duì)包含不完整作物行圖像也能夠精確定位;同時(shí),透視法在處理靠近田頭作物圖像時(shí),由于作物行的長(zhǎng)度不足以計(jì)算出透視點(diǎn)的位置,從而無(wú)法定位出行的位置信息6。本文采用峰點(diǎn)檢測(cè)法,處理步驟少,計(jì)算量小,能夠快速有效地定位出

4、作物行的位置。該方法通過(guò)計(jì)算圖像條列向累加值曲線峰點(diǎn),獲取作物行中心的位置,然后運(yùn)用最小二乘法對(duì)定位點(diǎn)進(jìn)行線性回歸,從而確定農(nóng)作物的行中心線。3.作物行中心線的定位處理過(guò)程在農(nóng)作物圖像處理過(guò)程中,為了得到良好的定位結(jié)果,一般需要對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理,消除圖像上光照不均與陰影的影響,得到作物行與土壤背景的區(qū)分指標(biāo);然后將圖像劃分成若干圖像條,根據(jù)圖像條中的過(guò)綠特征值(Excess Green,運(yùn)用峰點(diǎn)檢測(cè)法自動(dòng)計(jì)算作物行的中心位置;最后,運(yùn)用最小二乘法對(duì)所有圖像條上的位置點(diǎn)進(jìn)行線性回歸,得到的回歸直線即為農(nóng)作物的行中心線。該方法的流程圖如圖1所示。 圖1 行中心線定位算法流程圖Fig. 1 Flow

5、chart of the algorithm of crop row centre lines localization3.1 圖像的預(yù)處理根據(jù)三基色學(xué)原理,視覺(jué)上能夠感受到的任何一種顏色可以由紅(R、綠(G、藍(lán)(B三種基本顏色按一定比例混合得到,因此,一幅彩色圖像可以分解為三幅由R、G、B分量各自組成的圖像。作物在不同的光照條件下,圖像上各個(gè)像素的R、G、B分量值也隨之發(fā)生變化。為了減少不同光照條件對(duì)圖像造成的影響,在圖像處理之前需要對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理,消除光照條件對(duì)圖像產(chǎn)生的影響。呂朝輝等人6在分割秧苗圖像的研究過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)運(yùn)用圖像中R 、G 、B 值歸一化后顏色分量代替原有顏色分量,可以有

6、效地克服光照變化和陰影的影響。 設(shè)r 、g 、b 分別為R 、G 、B 進(jìn)行歸一化后顏色分量,各個(gè)分量歸一化過(guò)程如下:B G R Rr +=B G R Gg +=(1B G R Bb +=通常情況下,作物圖像上的背景即土壤具有較高的r 值和b 值,而g 值總是小于作物的g 值。利用r-g 、g-b 、r/g 以及2g-r-b 等指標(biāo)來(lái)區(qū)分作物與背景是非常有效的。其中,最為有效的區(qū)分指標(biāo)是過(guò)綠特征值2g-r-b 7。因此,本文中運(yùn)用過(guò)綠特征值作為區(qū)分作物與土壤背景的指標(biāo),在后面的運(yùn)算中均以過(guò)綠特征值運(yùn)算操作。圖2為大豆的原圖像及過(guò)綠特征值構(gòu)成的圖像,原始圖像是在強(qiáng)光下拍攝的,作物行間存在作物的陰

7、影;經(jīng)過(guò)預(yù)處理以后,在過(guò)綠特征圖像上,陰影的影響已消除,從圖2b 中可以清晰地分辨出大豆與土壤。3.2 圖像分割與作物行中心線的定位采用條播方法播種的農(nóng)作物,作物行呈直線狀,行與行之間呈平行關(guān)系,作物行間距基本相等。在圖像采集過(guò)程中,由于受到拍攝角度與距離影響,圖像上農(nóng)作物的行間結(jié)構(gòu)上發(fā)生了變化,各行匯聚到圖像上部或圖像上部外的某一點(diǎn)。圖像處理過(guò)程中,將圖像水平劃分成若干等間距的圖像條,作物行與圖像條相交區(qū)域內(nèi)必然存在農(nóng)作物8。對(duì)圖像條進(jìn)行運(yùn)算處理后,得到作物行的中心點(diǎn)。所有圖像條處理完后,得到作物行的中心點(diǎn)的位置,然后運(yùn)用最小二乘法對(duì)每行作物中心點(diǎn)進(jìn)行線性回歸,可以得到作物行的中心線方程。因

8、此,本文中將圖像水平劃分成十個(gè)等間距的細(xì)長(zhǎng)圖像條。間距的大小取決于圖像的高度以及圖像條的個(gè)數(shù)。圖3為圖2b 分割后的圖像。 a .原始圖像b .過(guò)綠特征值形成的灰度圖像圖2. 大豆圖像 Fig 2 The images of soybean設(shè)原始圖像的尺寸為H W ×,單位為像素,分割后的圖像條的大小為h W ×,(j i p 為圖像條上(i,j 處指標(biāo)過(guò)綠特征值,(j sum 為圖像條上第j 列上所有像素點(diǎn)的指標(biāo)累加值,m 為圖像條上所有列向累加值的平均值。計(jì)算過(guò)程如下:=hi j i p j s 1,(, j=1,2,W (2=Wj j s W m 1(1 , j=1,

9、2,W(3式中 行下標(biāo)i=1,2,h ,h 為圖像條的高度 列下標(biāo)j=1,2,W , W 為圖像條的寬度 圖3. 圖2.b 水平分割后的圖像條圖像條與作物行相交的區(qū)域中存在作物,該區(qū)域上的指標(biāo)值要比附近范圍高出許多,在(j sum 曲線圖(圖5表現(xiàn)為突出的波峰。因此,本文根據(jù)曲線上突出波峰的位置,確定作物行的邊界,然后求出邊界中點(diǎn),該點(diǎn)即為行中心點(diǎn),具體處理步驟如下:1 對(duì)圖像條逐列掃描,求取每一列的指標(biāo)值總和(j s ,同時(shí)計(jì)算所有元素的平均值m 。 2 對(duì)(j s 逐個(gè)掃描,求取升降點(diǎn)個(gè)數(shù)并記錄其位置。判斷規(guī)則如下:如果1(1(+<<j s m j s ,則j 為上升點(diǎn);如果1(1(+>>j s m j s ,則j 為下降點(diǎn)。3 在初始點(diǎn)的基礎(chǔ)上,根據(jù)升降點(diǎn)之間的距離,確定作物行邊界定位點(diǎn),剔除非定位點(diǎn)。如果升降點(diǎn)之間距離小于平均距離,則認(rèn)為此對(duì)升降點(diǎn)為非定位點(diǎn)。反之,為邊界定位點(diǎn)。 4 確定行