基于DSP的農(nóng)作物面積檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

武文亮 張志斌 董凱

【摘要】 在圖像處理方面，嵌入式DSP系統(tǒng)憑借著在應(yīng)用算法的實(shí)時(shí)性和系統(tǒng)的整體性能的優(yōu)越性而備受關(guān)注。本文主要研究如何利用嵌入式DSP系統(tǒng)中的攝像頭及時(shí)、準(zhǔn)備地獲取綠色作物生長(zhǎng)面積。研究?jī)?nèi)容主要包括：1）嵌入式DSP系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；2）圖像采集和綠色作物圖像的處理；3）求解圖像目標(biāo)區(qū)域在實(shí)際農(nóng)田環(huán)境下的實(shí)際面積。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)誤差范圍在0.11%～1.49%之間，可以得到較準(zhǔn)確作物生長(zhǎng)面積檢測(cè)。

【關(guān)鍵字】 嵌入式DSP 圖像處理 作物面積檢測(cè)

一、引入

我國(guó)是一個(gè)糧食大國(guó)，糧食的產(chǎn)量問(wèn)題直接影響到國(guó)計(jì)民生和社會(huì)穩(wěn)定[1]。因此，及時(shí)、準(zhǔn)確地檢測(cè)作物的生長(zhǎng)狀態(tài)是農(nóng)業(yè)領(lǐng)域一個(gè)研究熱點(diǎn)，作物面積的檢測(cè)對(duì)于評(píng)估其產(chǎn)量和質(zhì)量以及市場(chǎng)都有著非常重要的指導(dǎo)意義。

二、攝像機(jī)標(biāo)定

在圖像測(cè)量過(guò)程以及機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用中，常常會(huì)涉及到這樣一個(gè)概念，那就是利用攝像機(jī)所拍攝到的圖像來(lái)還原空間中的物體[2]。本文采用張正友標(biāo)定法[3]進(jìn)行了攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)的獲取，而外部參數(shù)（拍攝高度、傾角）由系統(tǒng)指定，內(nèi)外參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)圖像坐標(biāo)到世界坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換。

標(biāo)定的目的在于求解目標(biāo)區(qū)域單位像素面積，單位像素面積與目標(biāo)區(qū)域像素點(diǎn)個(gè)數(shù)的乘積即真實(shí)環(huán)境下的作物生長(zhǎng)面積。對(duì)于不規(guī)則的圖形，可通過(guò)其最小外切矩形進(jìn)行單位像素面積的求解，邊的單位像素距離為其世界坐標(biāo)邊距與圖像坐標(biāo)邊距的比值，一對(duì)鄰邊的單位像素距離乘積即單位像素的面積。

三、圖像采集與綠色作物圖像處理的理論基礎(chǔ)

上世紀(jì)70年代末麻省理工的Marr教授創(chuàng)立了計(jì)算機(jī)視覺(jué)理論框架[4]是本文圖像處理所采用在主導(dǎo)思想。

3.1圖像采集

本系統(tǒng)采用以CCD（Charge-Coupled Device，電荷耦合器件） 為圖像傳感器元件的網(wǎng)孔USB攝像頭獲取圖像。攝像頭上集成鏡頭、圖像傳感器控制器和USB接口，嵌入式ARM處理器、單片機(jī)或者PC機(jī)作CPU，攝像機(jī)將數(shù)據(jù)通過(guò)USB接口傳輸?shù)紺PU，因此攝像頭內(nèi)不需要大容量存儲(chǔ)器作圖像緩存。

3.2圖像預(yù)處理方法

由于作物顏色一般為綠色，本文對(duì)采集到的作物圖像要進(jìn)行預(yù)處理（綠色提取、二值化處理、濾波處理）。

四、嵌入式DSP系統(tǒng)設(shè)計(jì)

嵌入式DSP器件包含穩(wěn)定、可重復(fù)、可大規(guī)模化等特點(diǎn)，特別是其可編程性特征為數(shù)字信號(hào)處理帶來(lái)了巨大的發(fā)展空間。

4.1嵌入式DSP系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程

該系統(tǒng)的主要組成模塊包括ARM子系統(tǒng)、DSP子系統(tǒng)、JATG仿真器以及程序編譯器CCS。在系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，將裝有CCS編譯器的主機(jī)通過(guò)JATG系統(tǒng)仿真器與嵌入式DSP硬件系統(tǒng)相連接，由CCS3.3和JATG仿真器聯(lián)合進(jìn)行DSP系統(tǒng)的程序調(diào)試。

系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的難點(diǎn)在于作物生長(zhǎng)葉面積計(jì)算算法的移植。在移植過(guò)程中，需要考慮到嵌入式DSP系統(tǒng)與VC++軟件之間存在內(nèi)存使用情況、數(shù)據(jù)類(lèi)型轉(zhuǎn)換、程序執(zhí)行順序等方面的差異。

4.2基于嵌入式DSP作物生長(zhǎng)面積檢測(cè)流程

基于嵌入式DSP的作物面積檢測(cè)流程為：1）嵌入式DSP系統(tǒng)的初始化； 2）圖片掃描及預(yù)處理；3）掃描黑色像素點(diǎn)個(gè)數(shù)；4）根據(jù)內(nèi)、外參數(shù)計(jì)算出單位像素面積；4）計(jì)算圖像中目標(biāo)作物的實(shí)際面積。

4.3基于嵌入式DSP系統(tǒng)作物生長(zhǎng)面積信息獲取

本文采用300*400mm大小的實(shí)驗(yàn)板模擬田間作物在選定的拍攝高度和傾角下進(jìn)行了系統(tǒng)測(cè)試。當(dāng)拍攝高度為700mm，傾角分別為15°、20°、25°、30°時(shí)的實(shí)驗(yàn)誤差分別是0.94%、1.49%、1.02%、0.69%；當(dāng)拍攝傾角為20°，高度分別為800 mm、900 mm、1000 mm、1100 mm時(shí)的實(shí)驗(yàn)誤差分別是0.16%、1.08%、0.11%、1.07%。

五、結(jié)論

本文在農(nóng)田信息化領(lǐng)域中利用嵌入式DSP設(shè)計(jì)了一種提取農(nóng)作物面積的檢測(cè)系統(tǒng)，將主要的圖像處理工作放在嵌入式DSP系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，充分利用了嵌入式DSP芯片在圖像處理方面的強(qiáng)大功能，從而降低計(jì)算機(jī)的任務(wù)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本文設(shè)計(jì)的檢測(cè)農(nóng)作物面積的嵌入式DSP系統(tǒng)具有較高的可靠性，誤差范圍在0.11%～1.49%之間，這對(duì)于作物的生長(zhǎng)狀態(tài)的評(píng)估有著非常重要的指導(dǎo)作用。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 張開(kāi)華，萬(wàn)敏.加大農(nóng)村基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投入力度研究[J].科技進(jìn)步與對(duì)策，2010，16（27）：53-57.

[2] 孫玉青，冀小平.Matlab標(biāo)定工具箱在攝像機(jī)定標(biāo)中的應(yīng)用[J].太原科技，2010，3：99-100.

[3] Zhang Z. A flexible new technique for camera calibration[J].IEEE Trans. PAMI， 2000，22（11）：1330-1334.

[4] 馬頌德，張正友.計(jì)算機(jī)視覺(jué).北京：科學(xué)出版社，1998，52-55.