圖像處理技術(shù)在農(nóng)機(jī)測(cè)試中的應(yīng)用

范廣權(quán)

【摘 要】圖像處理技術(shù)可在農(nóng)機(jī)測(cè)試工作中進(jìn)行大量的推廣和應(yīng)用，通過圖像采集和圖像處理手法來實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械的正常、快速檢測(cè)，以保證農(nóng)機(jī)的正常運(yùn)行。本篇文章從圖像處理技術(shù)的概念、特點(diǎn)和功能入手，對(duì)其在農(nóng)機(jī)測(cè)試中的應(yīng)用進(jìn)行論述，詳細(xì)介紹和分析了圖像處理技術(shù)在土壤耕作機(jī)、種植施肥機(jī)等多種農(nóng)業(yè)機(jī)械中的應(yīng)用情況，并認(rèn)為圖像處理技術(shù)可在農(nóng)機(jī)測(cè)試中進(jìn)行廣泛的應(yīng)用和推廣，以助推我國(guó)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)積極發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】圖像處理技術(shù)；農(nóng)機(jī)；農(nóng)機(jī)測(cè)試；應(yīng)用

測(cè)試技術(shù)，是一種利用現(xiàn)代化信息技術(shù)來分析產(chǎn)品質(zhì)量以及工作性能的技術(shù)。測(cè)試技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械的初始時(shí)間是上世紀(jì)90年代，后來隨著計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的不斷發(fā)展，圖像處理技術(shù)逐漸成形，并被作為一種可視化現(xiàn)代信息技術(shù)被引入到農(nóng)業(yè)機(jī)械測(cè)試中，因測(cè)試效果良好而得到了農(nóng)機(jī)測(cè)試研究人員的高度重視。盡管目前圖像處理技術(shù)在農(nóng)業(yè)測(cè)試中的應(yīng)用實(shí)例并不多見，但從其技術(shù)所具有的優(yōu)勢(shì)來看，圖像處理技術(shù)在農(nóng)機(jī)測(cè)試中的應(yīng)用前景是極為廣闊的。

1.圖像處理技術(shù)

1.1圖像處理技術(shù)的概念

計(jì)算機(jī)圖像處理是通過計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)人類視覺功能，將所測(cè)的圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并利用計(jì)算機(jī)模擬識(shí)得判別標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其進(jìn)行理解和識(shí)別的過程。其主要原理是用圖像采集卡和攝像機(jī)將外界圖像轉(zhuǎn)換成以紅（R）、綠（G）、藍(lán)（B）三原色灰度值表示的數(shù)字圖像，然后運(yùn)用相應(yīng)軟件進(jìn)行分析、加工、處理和輸出。狹義的圖像處理是消除圖像劣化因素，改善圖像質(zhì)量，即完成“圖像一圖像”的轉(zhuǎn)換；而廣義的圖像處理概念是分析給定圖像，提取有效特征，完成“圖像一描述”的過程。

1.2圖像處理系統(tǒng)的組成

根據(jù)計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)的特點(diǎn)來，與之配套的計(jì)算機(jī)圖像管理系統(tǒng)在組成上必須要有光源、高速攝像機(jī)、圖像采集卡或采集器，4個(gè)必不可少的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)圖像輸出器等等。需要注意的是，在圖像采集處理系統(tǒng)中，最最重要的一個(gè)系統(tǒng)元件是高速攝像機(jī)。我國(guó)目前所使用的高速攝像機(jī)主要可分為兩類，一類是CCD陣列攝像機(jī)，另一類則是基于是CMOS技術(shù)常的攝像機(jī)。

1.3圖像處理技術(shù)的特點(diǎn)

比起其他類型的圖像再現(xiàn)，本文中所介紹的圖像處理技術(shù)不僅可以實(shí)現(xiàn)圖像文字的再現(xiàn)，且能夠保證圖像在轉(zhuǎn)換過程中的再現(xiàn)質(zhì)量，能盡量維持?jǐn)?shù)字化后圖像的原稿質(zhì)量，不會(huì)在轉(zhuǎn)換過程中因?yàn)榇鎯?chǔ)、傳輸或復(fù)制等過程中出現(xiàn)圖像質(zhì)量的改變和退化。

圖像處理技術(shù)處理精度高，現(xiàn)代掃描儀可以把每個(gè)像素的灰度等級(jí)量化為16位甚至更高，所以計(jì)算機(jī)幾乎可將一幅模擬圖像數(shù)字化為任意大小的二維數(shù)組，這意味著圖像的數(shù)字化精度可以達(dá)到滿足任一應(yīng)用需求。不論數(shù)組大小，也不論每個(gè)像素的位數(shù)多少，其處理過程幾乎是一樣的。換言之，從原理上講不論圖像的精度有多高，處理總是能實(shí)現(xiàn)的，只要在處理時(shí)改變程序中的數(shù)組參數(shù)就可以了。圖像處理技術(shù)處理精度高，現(xiàn)代掃描儀可以把每個(gè)像素的灰度等級(jí)量化為16位甚至更高，所以計(jì)算機(jī)幾乎可將一幅模擬圖像數(shù)字化為任意大小的二維數(shù)組，這意味著圖像的數(shù)字化精度可以達(dá)到滿足任一應(yīng)用需求。不論數(shù)組大小，也不論每個(gè)像素的位數(shù)多少，其處理過程幾乎是一樣的。換言之，從原理上講不論圖像的精度有多高，處理總是能實(shí)現(xiàn)的，只要在處理時(shí)改變程序中的數(shù)組參數(shù)就可以了。

2.圖像處理技術(shù)在農(nóng)機(jī)測(cè)試中的應(yīng)用情況

農(nóng)業(yè)機(jī)械測(cè)試一般分為兩種類型，即室內(nèi)測(cè)試和室外測(cè)試（或田間測(cè)試）。在這兩種測(cè)試方法中，室內(nèi)測(cè)試所存在的局限性相對(duì)較大，所以在具體測(cè)試時(shí)很容易對(duì)隨機(jī)因素產(chǎn)生忽略。另外，如果采用室內(nèi)測(cè)試方法來進(jìn)行農(nóng)機(jī)機(jī)械的測(cè)試，那么在具體的測(cè)試過程中，由于受到農(nóng)機(jī)過快的運(yùn)行速度以及過大的運(yùn)行變化的影響，經(jīng)由試驗(yàn)研究所得到的農(nóng)機(jī)具的性能參數(shù)并不準(zhǔn)確，更無法做到對(duì)農(nóng)機(jī)測(cè)試關(guān)鍵環(huán)節(jié)的觀測(cè)和記錄。為了解決這一難題，建議在農(nóng)機(jī)性能測(cè)試階段引進(jìn)圖像處理技術(shù)，通過圖像采集、記錄和情景再現(xiàn)等連續(xù)性操作來監(jiān)控農(nóng)機(jī)具運(yùn)行過程中瞬時(shí)變化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)具測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化。

2.1土壤耕作機(jī)械

土壤耕作機(jī)械的主要功能為，負(fù)責(zé)對(duì)土地土壤進(jìn)行翻耕、松碎等操作，是土壤耕作時(shí)需要使用的一種的基礎(chǔ)性操作機(jī)械。常見的土壤耕作機(jī)械類型有樺式犁、鑿式犁和旋耕機(jī)等。在所例舉的幾種耕作機(jī)械中，使用最為頻繁的耕作機(jī)是旋耕機(jī)。旋耕機(jī)在設(shè)計(jì)和制造過程中，需要對(duì)該機(jī)械的性能參數(shù)作全面認(rèn)真的動(dòng)態(tài)測(cè)試和定量分析，通過研究旋耕機(jī)的拋土性能與其結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系，確定優(yōu)化的結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)，但常用的手段難以精確測(cè)量拋土率。為解決這一難題，李伯全等利用基于時(shí)間序列的動(dòng)態(tài)圖像處理技術(shù)定量地描述了拋土率，并對(duì)拋土率理論模型進(jìn)行了驗(yàn)證，還利用攝像機(jī)獲得了旋耕機(jī)拋土過程中土粒的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，為進(jìn)一步提高旋耕機(jī)的性能研究奠定了基礎(chǔ)。

圖像處理技術(shù)在其他的土壤耕作機(jī)械中的應(yīng)用還處在初級(jí)階段，圖像處理技術(shù)在研究鏵式犁中為解決犁鏵和犁壁的形狀和參數(shù)與機(jī)組的行進(jìn)速度的關(guān)系同樣具有廣闊的發(fā)展前景。

2.2種植施肥機(jī)械

種植機(jī)械按照種植對(duì)象和工藝過程的不同，可分為播種機(jī)、栽種機(jī)和秧苗栽植機(jī)3大類。為改進(jìn)和設(shè)計(jì)更合理的精播機(jī)結(jié)構(gòu)，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)研制了精播機(jī)虛擬儀器檢測(cè)系統(tǒng)。此系統(tǒng)利用先進(jìn)的圖像處理系統(tǒng)來捕捉和檢測(cè)種子的運(yùn)動(dòng)軌跡，再通過計(jì)算機(jī)技術(shù)模擬確定種子的運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)方程，得到了改進(jìn)和設(shè)計(jì)精播機(jī)的相關(guān)參數(shù)。

排種器是播種機(jī)的關(guān)鍵部件，在臺(tái)架上檢測(cè)和對(duì)比排種器性能是個(gè)繁重而費(fèi)時(shí)的工作。目前，測(cè)試排種器性能大部分都停留在人工測(cè)量和光電檢測(cè)階段。人工測(cè)量即人工在黃油粘膠帶上測(cè)試。此種方式性能比較直觀地在一定程度上反映種子的著落性能，但浪費(fèi)種子、污染環(huán)境、效率低。光電檢測(cè)只適合于測(cè)試漏播，對(duì)于重播準(zhǔn)確性差，特別當(dāng)種子體積較小、速度快時(shí)，誤差更容易產(chǎn)生。

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展，農(nóng)業(yè)機(jī)器的機(jī)件的類別和應(yīng)用范圍都已擴(kuò)大，又因?yàn)樵苑N機(jī)的專用性，對(duì)機(jī)件的要求就更加嚴(yán)格。傳統(tǒng)的栽種機(jī)機(jī)件變形測(cè)試方法在很多情況下都受到限制，因此設(shè)計(jì)一種方便、實(shí)用的檢測(cè)系統(tǒng)迫在眉睫。應(yīng)用圖像處理技術(shù)設(shè)計(jì)的變形測(cè)試系統(tǒng)。通過試驗(yàn)對(duì)象在整個(gè)受力過程中狀態(tài)的變化，實(shí)時(shí)存儲(chǔ)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，經(jīng)分析得到測(cè)試結(jié)果，從而達(dá)到測(cè)試的目的，顯著提高了栽種機(jī)機(jī)件的測(cè)試水平。

2.3作物收獲機(jī)械

作物收獲機(jī)械指用于收取各種農(nóng)作物或農(nóng)產(chǎn)品的各種機(jī)械。玉米收獲機(jī)是主要的收獲機(jī)械之一，在設(shè)計(jì)玉米收獲機(jī)的過程中，常用的路徑獲取源于人工駕駛，這種方式難在真正的提高機(jī)械化程度，收割效率與人操縱機(jī)械的熟練程度密切相關(guān)，具有不穩(wěn)定性。因此提高玉米收獲機(jī)性能的關(guān)鍵在于玉米智能收獲機(jī)器人路徑的識(shí)別。

3.結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，基于圖像處理技術(shù)的農(nóng)機(jī)測(cè)試，其測(cè)試的研究范圍比普通研究方式的研究范圍更廣，不僅涵蓋了測(cè)量、儀表、計(jì)算機(jī)、控制和電子工程，還包括了提高農(nóng)機(jī)測(cè)試準(zhǔn)確度、解決傳統(tǒng)農(nóng)機(jī)測(cè)試開發(fā)周期長(zhǎng)、開發(fā)成本高以及操作復(fù)雜困難等內(nèi)容。由此來看，我國(guó)圖像處理技術(shù)的先進(jìn)不僅可提高農(nóng)機(jī)測(cè)試的精確度和準(zhǔn)確性，還可在一定程度上促進(jìn)我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與增長(zhǎng)，進(jìn)而全面實(shí)現(xiàn)我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化的最終目的。

【參考文獻(xiàn)】

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