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《農業工程雜志》2014年第五期

1圖像處理過程

在圖像處理過程中首先用工業相機采集圖像信息，將得到的數字圖像經過灰度處理，閾值分割，區域標記，邊緣檢測，線性濾波等操作，提取目標信息。使機器視覺不能識別的信息轉變為可被機器讀取的信號，從而指導采棉機器人進行工作。圖像處理流程如圖3所示。圖像采集傳感器有CMOS和CCD兩種，基于采集的速度和采集質量，一般選用CCD傳感器。攝像機采集的圖像都是基于RGB顏色空間模型的，由于RGB模型種種弊端不能使圖像的某些特征信息突出，要進行色彩空間轉換。現在已有多種空間模型根據實際要提取的目標信息選取合適的模型。經過初步的圖像處理一般都不能突出所要的信息，還要進行特殊化處理，提取區域的特征參數以及根據特征參數提取原始圖像的目標信息。

2圖像處理在棉花采摘中的應用

2.1棉絮的識別及提取對于采棉機器人來說主要的難點是對棉絮的識別及確定棉絮的三維空間位置，然后指導機械手進行采摘。要準確識別棉花的棉絮需要對棉花圖像進行分割處理，圖像處理一直受到學者們的重視。棉絮的識別就是從復雜的背景中分割出目標物。自然場景中棉花田中棉絮是白色的，背景幾乎都是綠色的枝葉和處于綠色和黃色之間的枯萎枝葉，將這一重要特征信息作為棉花分割的依據。在圖像處理空間模型中算法是多種多樣的，目前常用的顏色空間有RGB、HSI、YCb-Cr、YUV、HSV和CMY等。彩色圖像處理過程中沒有一種顏色空間和算法適合于所有彩色圖像的處理。研究中選用不同的顏色空間將會影響到棉花圖像的分割效果。自然環境下棉花的生長千態萬化，存在相互遮擋、枝葉遮擋等問題，這就需要用特定的處理模式處理棉絮與棉葉的邊界、棉絮與棉葉的遮擋、棉花的成熟度等問題。

2.2棉絮的空間定位確定棉絮的三維空間位置是進行棉花采摘的前提。獲取待采摘棉絮三維坐標的方法有以下4種。(1)雙目立體視覺系統:由兩個攝像機從不同角度同時采集同一目標物分別獲得目標特征，進行特征點匹配再結合相機的內外參數得到目標物三維坐標。(2)時差法:利用同一臺攝像機獲得多幅連續圖像，實現“從運動得到結構”，由特征點的匹配計算得到特征點的三維坐標。(3)傳感器融合:首先由視覺傳感器獲得目標物的平面圖像，計算其質心坐標，再利用測距傳感器測得目標的坐標［6］。(4)結構光法:選擇激光作為光源，利用光柵法、移動投光法獲取距離圖像和反色圖像，聯合得到目標物的形狀和三維坐標［7］。目前通常利用雙目立體視覺系統進行目標定位，此種方法模擬人眼的構造，利用左右目標物特征點的匹配進行，定位目標準確。定位流程如圖4所示。

3圖像處理在視覺導航中的應用

視覺導航是采棉機器人中自動導航的一個重要部分，對以后復雜環境下自主行走平臺的研究具有重要意義［8］。在采棉機器人的視覺導航中，首先由攝像機采集場景圖像并進行處理分析識別出導航路徑，然后確定采棉機器人相對于導航路徑的位姿，最后由控制電機根據位姿實時調節地輪的導向角實現采棉機器人的自主導航。獲取導航路徑的方法有以下兩種:①單目視覺系統:用一個相機采集場景圖像，可以識別出簡單的直線行走路線，對于復雜的路線不能達到理想的效果。②雙目視覺系統:用兩個相機同時采集場景圖像，基于視差，匹配特征點可以實時調節路徑，此種方法可以實現曲線路徑的實時調控。在路徑識別過程中，關鍵的問題還是導航路徑的算法和實際運用。雖然現在圖像處理技術發展迅速，但是視覺導航中算法的耗時對實際的影響還是不能忽視的，而且新疆棉花的種植模式以及棉花的生長狀態都增加了對導航路徑的判斷難度，最終導致不能快速地獲取路徑信號以及對電機發出指令進行位姿調節，從而影響采棉機器人的工作效率。國外視覺導航的研究開始于20世紀60年代并取得了一定的成就［9］。最初的研究應用于軍事上，隨著技術的日益成熟，視覺導航逐漸運用到了農業領域。美國紐荷蘭農業機械公司基于視覺導航系統發明了一種自主行走的自動化聯合收割機器人。由于社會老齡化的日益嚴重，農業勞動力不足，日本基于視覺導航發明了噴霧機器人、收割機器人和除草機器人等。我國在農業機器人的視覺導航領域研究起步較晚，但發展迅速也取得許多研究成果。蔡健榮等［10］通過恢復障礙物的三維信息，對于采摘機器人的路徑進行了研究;劉兆祥等［11］對蘋果采摘機器人三維視覺傳感器設計方面進行了研究。

4主要問題和關鍵技術

4.1主要問題雖然圖像處理的研究已經取得了很大的進展，但是在農業上的應用還有很大的差距。目前圖像處理在采棉機中的應用主要存在以下幾個問題:①棉絮的識別率不高和識別精度較低，目前，主要采用灰度處理、閾值分割和形態等方法;②棉絮的空間定位計算速度較慢及誤差較大;③行走路線確定復雜度較大，主要因為新疆棉花的種植模式比較密集，行間較小，相鄰綿株的棉葉交叉生長。

4.2關鍵技術關鍵技術主要是改進圖像處理的算法。目前普遍的圖像處理都不能精確、快速地提取棉花圖像邊緣信息，通過改進算法消除干擾，提高識別能力。采用主動光源的多維視覺系統。為了改變外界環境，精確快速定位棉絮，可以采用外部光源在一定程度上提高圖像的采集質量。

5結束語

目前圖像處理技術在農業中的應用還處在研究階段，距離實際的生產運用還有一定的距離。農田中非結構化的種植模式極大地增加了圖像處理技術在農業上的應用。本文從圖像處理技術在采棉機器人中的目標物的識別定位、視覺導航等方面得出:①棉絮與棉葉的相互遮擋，目標物的數量相對較多，嚴重影響了目標物提取的效率和精確度;②棉株的種植較密，行距較小，使導航路徑的確定增加了難度。隨著科技的快速發展和工業化經營模式的推廣，相信在不久的將來采棉機器人將走向棉田代替人力勞動，提高棉花質量降低勞動成本，使我國的農業裝備向著智能化和自動化的方向發展。

作者：張豪郭輝韓長杰張靜楊宛章單位：新疆農業大學機械交通學院新疆農業工程裝備創新設計重點實驗室