基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的桃樹剪枝機(jī)器人建圖數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)策略研究

(寧波大紅鷹學(xué)院 浙江 寧波 315000)

引言

21世紀(jì)以來,計(jì)算機(jī)和自動控制技術(shù)的迅速發(fā)展使得農(nóng)業(yè)機(jī)械邁入高度自動化、智能化時期。且我國農(nóng)村勞動力正快速向社會其他行業(yè)轉(zhuǎn)移，人口老齡化問題突出，農(nóng)業(yè)勞動力不足問題日趨嚴(yán)重。桃樹修剪具有勞動強(qiáng)度大、人員技術(shù)素養(yǎng)要求高、時間周期緊等特點(diǎn)，使得桃樹修剪的自動化研究迫在眉睫[1]。

一、桃樹修剪背景

桃樹的自然生長由于樹冠蔥郁、枝條繁密、光照與通風(fēng)不足易導(dǎo)致病蟲災(zāi)害，影響果實(shí)產(chǎn)量與質(zhì)量；而合理的桃樹修剪對于幼樹擴(kuò)大樹冠和擴(kuò)展樹枝數(shù)量、盛果期桃樹保持良好的樹體結(jié)構(gòu)以及促進(jìn)衰老樹重新生長維持產(chǎn)量具有重要意義；桃樹修剪可以有效促進(jìn)枝條末梢的生長、控制樹葉面積，從而改善桃樹光合效率；此外，通過修剪可以有效調(diào)整桃樹之間自然生長的發(fā)育不均衡，調(diào)節(jié)營養(yǎng)生長和生殖生長之間的關(guān)系?，F(xiàn)如今經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，科技在一步一步的不斷發(fā)展，自動化在社會上不斷普及。而且，市場市場需求強(qiáng)大，相信在不久的將來桃樹修剪的自動化也終將會實(shí)現(xiàn)。

二、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

研究者針對柑橘樹分析，進(jìn)行全方位研究，分析自然場景柑橘樹圖像R、G、B分量，兩次采用Otsu閾值法分割色差分量圖像去除果實(shí)、樹葉、嫩枝等背景，然后采用雙閾值分割出樹枝，采用基于特征的立體匹配方法得到特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)，并利用圖形技術(shù)恢復(fù)柑橘樹的三維虛擬場景信息，但該方法由于在圖像處理方法上對于不同光照條件下的樹枝分割魯棒性不足以及圖形建模適用性較差而造成恢復(fù)后的虛擬場景可信度不高。

針對上述問題，利用基于濾波片的光譜圖像技術(shù)與雙目立體視覺技術(shù)相融合的方法識別自然場景下的樹枝，以及通過立體匹配技術(shù)得到樹枝的三維信息。在道路識別中，常將激光掃描技術(shù)、雷達(dá)技術(shù)與雙目立體視覺技術(shù)等結(jié)合，以獲得對障礙物更好的識別與定位。采用基于飛行時間法(TOF，Time-of-Flight)無掃描三維成像技術(shù)獲取樹枝的三維信息，TOF三維成像技術(shù)可以快速得到視場下各點(diǎn)的距離，不受光照影響，但也存在邊緣區(qū)域深度圖的深度值的誤差比較大，得到的深度圖分辨率低，無法精確標(biāo)定等缺陷，因此它可以與雙目立體視覺技術(shù)得到的三維信息進(jìn)行融合以實(shí)現(xiàn)信息的互補(bǔ)與優(yōu)化。

國內(nèi)外研究趨勢：

目前，果樹(含桃樹)生長狀態(tài)的模擬研究多基于虛擬植物生長算法(PGSA)，虛擬植物生長是指利用計(jì)算機(jī)形象直觀地再現(xiàn)植物生長過程。在此之前，關(guān)于此研究，基于多方面進(jìn)行逐步實(shí)施。

首先，1968年，美國的生物學(xué)家Lindenmayer在其論文中提出形式化的表達(dá)植物分枝狀況的系統(tǒng)——字符串重寫系統(tǒng)(String Rewriting System),習(xí)慣稱之為L系統(tǒng)(L-System)。此后，研究者們實(shí)現(xiàn)了：各種改進(jìn)的L系統(tǒng)、IFS(函數(shù)迭代系統(tǒng))、參考軸技術(shù)(Reference Axis Technique)、分形方法、分枝矩陣、基于幾何可觀察量的模型、基于圖符的交互式模型以及用來模擬森林環(huán)境的粒子系統(tǒng)等，此類對虛擬植物模型的研究多集中在模擬模型構(gòu)建方法、植物幾何形態(tài)、植物生理機(jī)理模型等細(xì)節(jié)方面,相關(guān)虛擬植物可視化軟件設(shè)計(jì)也多局限于特定應(yīng)用。

最后，研究者結(jié)合基于圖像重建和L系統(tǒng)規(guī)則建模，提出一種注重于視覺效果的虛擬植物重建方法,該方法結(jié)合了L系統(tǒng)、粒子系統(tǒng)和基于表面建模方法的優(yōu)點(diǎn)。

三、研究內(nèi)容

21世紀(jì)以來,計(jì)算機(jī)和自動控制技術(shù)的迅速發(fā)展使得農(nóng)業(yè)機(jī)械邁入高度自動化、智能化時期。且我國農(nóng)村勞動力正快速向社會其他行業(yè)轉(zhuǎn)移，人口老齡化問題突出，農(nóng)業(yè)勞動力不足問題日趨嚴(yán)重。桃樹修剪具有勞動強(qiáng)度大、人員技術(shù)素養(yǎng)要求高、時間周期緊等特點(diǎn)，使得桃樹修剪的自動化研究迫在眉睫。那么，我們該如何利用虛擬技術(shù)，進(jìn)行現(xiàn)實(shí)技術(shù)的桃樹剪枝呢？

總體來說，我們對以下內(nèi)容進(jìn)行研究：

(一)場景三維信息提取

通過陣列攝像機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對真實(shí)場景進(jìn)行多光譜系統(tǒng)、TOF成像技術(shù)和雙目立體視覺技術(shù)處理，對深度信息進(jìn)行獲取，把真實(shí)場景進(jìn)行圖像處理，使雙目立體視覺技術(shù)與TOF三維成像技術(shù)的信息融合，從而實(shí)現(xiàn)信息提取。

(二)桃樹生長模擬、最優(yōu)修剪方案遴選

通過觀測、統(tǒng)計(jì)、分析數(shù)據(jù)，提取桃樹形態(tài)結(jié)構(gòu)規(guī)則，確定桃樹形態(tài)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)虛擬場景構(gòu)建。其次，建立桃樹的形態(tài)發(fā)生模型和生理結(jié)構(gòu)模型，進(jìn)行生長狀態(tài)模擬。然后，計(jì)算桃樹生長發(fā)育狀況，生成桃樹圖形。最后，綜合不同條件的影響，遴選最優(yōu)修剪方案

(三)修剪作業(yè)模擬驗(yàn)證

通過嚴(yán)格控制與作業(yè)無關(guān)的場景信息，冗余信息剔除，提供最有效的信息給路徑規(guī)劃，使得路徑規(guī)劃更具實(shí)效。進(jìn)行智能仿生學(xué)算法和圖形學(xué)的方法等進(jìn)行模擬驗(yàn)證，尋求適合修剪機(jī)器人路徑規(guī)劃的最佳算法。