基于圖像處理與計(jì)算機(jī)輔助的物理機(jī)械播種裝置研究

郭亞靜

(洛陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 洛陽 471003)

0 引言

傳統(tǒng)種植業(yè)中，小粒徑種子播種環(huán)節(jié)都是依靠人力進(jìn)行人工點(diǎn)播，該種植方式農(nóng)作強(qiáng)度大，效率低，種子浪費(fèi)嚴(yán)重。機(jī)械化穴盤精密播種裝置的出現(xiàn)，提高了基地生產(chǎn)效率，解決了人工點(diǎn)播存在的勞動(dòng)力投入大、生產(chǎn)成本高及種子浪費(fèi)嚴(yán)重等問題，但仍存在一定程度的漏播、重播問題。為了解決精密播種裝置漏播和重播問題，基于圖像處理技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種機(jī)械播種裝置性能參數(shù)檢測方法。

1 基于計(jì)算機(jī)輔助的物理機(jī)械播種裝置

本文采用計(jì)算機(jī)輔助中的虛擬技術(shù)，設(shè)計(jì)了物理機(jī)械播種裝置，其過程如圖1所示。

圖1 虛擬設(shè)計(jì)過程示意圖

機(jī)械播種裝置主要由機(jī)架、牽引或懸掛裝置、種子箱、排種器、傳動(dòng)裝置、輸種管、開溝器、劃行器、行走輪和覆土鎮(zhèn)壓裝置等組成，如圖2所示。本文設(shè)計(jì)的機(jī)械播種裝置模型以作物種子為播種對象，本身沒有動(dòng)力源，與四輪拖拉機(jī)配套使用。工作時(shí)，在拖拉機(jī)的帶動(dòng)下，一邊前進(jìn)，一邊起壟；當(dāng)拖拉機(jī)帶動(dòng)播種裝置向前行進(jìn)時(shí)，位于后面的驅(qū)動(dòng)輪隨之向前滾動(dòng)。種箱位于播種裝置的的最上方，下方有排種軸，排種軸的一側(cè)安有鏈輪；鏈輪通過方扣鏈條與驅(qū)動(dòng)軸上的鏈輪連接連動(dòng)，驅(qū)動(dòng)器轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)鏈條；鏈條帶動(dòng)播種軸轉(zhuǎn)動(dòng)，種子箱里的種子隨之下落，落到圓盤開溝器中，從圓盤間隙中落入土壤，最后由覆土裝置覆土，完成整個(gè)播種作業(yè)過程。

圖2 物理機(jī)械播種裝置

2 物理機(jī)械播種裝置的圖像處理

2.1 播種圖像的采集

圖像處理技術(shù)主要是利用計(jì)算機(jī)、工業(yè)相機(jī)、光源、傳感器及其他電子設(shè)備對需要處理的目標(biāo)進(jìn)行圖像采集、存儲(chǔ)、判斷和決策，結(jié)合對圖像的增強(qiáng)與分割，通過對目標(biāo)物體特征值的提取和檢測，實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)庫的建立、模型的建立和匹配等復(fù)雜過程。

本文采用帶信號觸發(fā)的CCD高清攝像機(jī)拍攝種子播種圖像，整個(gè)過程比較完成，不會(huì)發(fā)生圖像重疊現(xiàn)象；然后將前后幅采集的圖像進(jìn)行末端和前端進(jìn)行拼接(見圖3)，得到第1幅到最后1幅圖像的堆疊式拼接。

圖3 播種圖像的采集與拼接

2.2 圖像分析與處理

采集到播種過程的圖像后，接著就是對圖像進(jìn)行處理。需要處理的圖像在計(jì)算機(jī)內(nèi)部通常被看作為一個(gè)矩陣處理，假設(shè)采集f(x,y)圖像，需要獲得M×N個(gè)實(shí)際數(shù)據(jù)，那么可以將這些數(shù)據(jù)以位置順序組成一個(gè)數(shù)陣，進(jìn)一步進(jìn)行陣元量化后，可以得到一個(gè)最終的矩陣替代f(x,y)，說明采樣圖像的信息可以用一個(gè)矩陣表示。該過程可以表示為

(1)

其中，fl(i,j)為圖像量化過的像素值。

為了方便對圖像的分析和處理，可以將圖像矩陣中元素表示為行或列向量，即

(2)

圖像轉(zhuǎn)換為矩陣的整個(gè)過程如圖4所示。

圖4 圖像轉(zhuǎn)換為矩陣的整個(gè)過程圖

在圖像處理過程中，數(shù)字圖像信號是二維的，其通常被看成在平面上隨機(jī)作變量的函數(shù)。例如，黑白圖像中濃淡變化的灰度值通常用f(x,y)表示，用來表示數(shù)字圖像中行和列兩個(gè)方向上的光照強(qiáng)度變化。圖像f(x,y)在進(jìn)行采樣時(shí)，一般是對f(x,y)進(jìn)行均值采樣，獲得每個(gè)像素點(diǎn)的亮度值，形成離散的函數(shù)f(i,j)。采樣過程如圖5所示。

圖5 圖像采樣過程示意圖

若為彩色圖像，則應(yīng)以RGB明亮變化度作為二維矢量函數(shù)表示，即

(3)

相應(yīng)的離散值為

(4)

經(jīng)過上述方法后，數(shù)字圖像可以被離散為像素點(diǎn)，然后進(jìn)行灰度的量化，便可得到二值圖像，從而方便對圖像的處理。

2.3 提取種子圖像區(qū)域

經(jīng)過前面對圖像進(jìn)行初步的分析與處理后，便可以提取種子圖像和計(jì)算種子區(qū)域面積。本文采用大津法計(jì)算提取種子區(qū)域圖像，對圖像f(x,y)而言，設(shè)定T為背景和感興趣區(qū)域分割閾值。對于M×N的圖像f(x,y)，假設(shè)分別有N0個(gè)大于和N1個(gè)小于灰度T的像素，則

ω0=N0/M×N

(5)

ω1=N1/M×N

(6)

N0+N1=M×N

(7)

μ=ω0×μ0+ω1×μ1

(8)

g=ω0(μ0-μ)2+ω1(μ1-μ)2

(9)

聯(lián)合式(5)～式(9)，可得

g=ω0ω1(μ0-μ1)2

(10)

其中，u為整幅圖像灰度平均值；ω0和μ0分別為感興趣區(qū)域像素總和和灰度平均值；ω1和μ1分別為背景區(qū)域像素總和和灰度平均值；g為類間方差值。

提取種子圖像的具體流程如下：

Step1：分別設(shè)置最大和最小閾值tmax和tmin，然后將閾值變量K和T的初始值都設(shè)置為tmin；

Step2：將測量圖像分為Q1和Q2兩類，若像素值大于K，則像素屬于Q1類；反之，像素屬于Q2類；

Step3：在2.2小節(jié)的基礎(chǔ)上對圖像進(jìn)行二值化處理，即

(11)

2.4 計(jì)算種子圖像區(qū)域面積

本文采用中值法計(jì)算單子種子圖像區(qū)域面積Sv，主要計(jì)算參數(shù)包括目標(biāo)區(qū)域(白色區(qū)域)的數(shù)目N、種子中心坐標(biāo)、目標(biāo)區(qū)域和投影坐標(biāo)等。將目標(biāo)區(qū)域面積值輸入到數(shù)組元素S[i](0≤i≤N)，則可以得到目標(biāo)區(qū)域面積的單一種子面積Sv=S[N/2]。

3 物理機(jī)械播種裝置性能參數(shù)檢測方法

3.1 計(jì)算種子數(shù)量

物理機(jī)械播種裝置性能參數(shù)最基本的參數(shù)是種子數(shù)量，區(qū)域i中種子數(shù)量ni計(jì)算公式為

(12)

其中，S[i]為保存種子的數(shù)組；int()為取整函數(shù)。

種子總數(shù)量nr計(jì)算公式為

(13)

3.2 測定播種裝置條播參數(shù)

測定播種裝置條播參數(shù)主要是測定每個(gè)統(tǒng)計(jì)區(qū)間的種子數(shù)量和每個(gè)非種子區(qū)間的長度。條播參數(shù)測定示意圖如圖6所示。

假設(shè)取統(tǒng)計(jì)長度為d，統(tǒng)計(jì)區(qū)域數(shù)為M，統(tǒng)計(jì)間隔i的縱坐標(biāo)為[tyi，tyi+1]。其中，i為統(tǒng)計(jì)區(qū)間的序號；y1=0；1≤i≤M；tyi+1=tyi+d。

設(shè)定每個(gè)統(tǒng)計(jì)區(qū)間獲得種子陣列的位置信息，而tymax和tymin分別表示目標(biāo)區(qū)域的最大和最小縱坐標(biāo)。由于目標(biāo)區(qū)域往往包括多個(gè)統(tǒng)計(jì)區(qū)間，因此在計(jì)算過程中常常會(huì)出現(xiàn)兩種情形：

情形1：若tyi≤tymin

情形2：若tyi≤tymindb，則區(qū)域被分到統(tǒng)計(jì)區(qū)間i內(nèi)；反之，則被分到區(qū)間i+1內(nèi)。

圖6 條播參數(shù)測定示意圖

3.3 測定播種裝置穴播參數(shù)

測定播種裝置穴播參數(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)在于如何根據(jù)每個(gè)種子的分布將每個(gè)種子分成相關(guān)穴。在y軸方向，每個(gè)種子陣列中的種子區(qū)間和非種子區(qū)間基本可以確定，相同種子陣列中的種子分配如下：

1)將相同種子區(qū)間[yi-1，yi]中的種子劃分為相同穴，同時(shí)根據(jù)種子區(qū)間長度平均值(SD1)求出標(biāo)準(zhǔn)差(σ1)。

2)用SDi表示種子區(qū)間i和i+1間的非種子間隔的長度。若SDi

3)計(jì)算種子穴的位置坐標(biāo)，即

(14)

4)在得到以上數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，計(jì)算出播種率、補(bǔ)種率和漏播率等播種裝置穴播參數(shù)值。

3.4 測定播種裝置精密播種參數(shù)

播種裝置精密播種可以看成是穴播的一種特殊情況，即每個(gè)穴中只有唯一一粒種子。首先，所有種子應(yīng)該分配到全部穴中，然后計(jì)算Y軸方向上的種子數(shù)量和穴間距離。若穴中的種子數(shù)量大于1，則表明發(fā)生了重播，記重播次數(shù)為m-1(m為穴中所有種植的種子數(shù)量)。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證整個(gè)系統(tǒng)的可行性和精確性，在某小麥種植基地進(jìn)行了實(shí)際播種試驗(yàn)，分別按條播、穴播和精密播種3種方式進(jìn)行。物理機(jī)械播種裝置測量圖像截取的片段圖像如圖7所示(圖像已播種按順序準(zhǔn)確拼接)。

圖7 小麥種植播種圖像

由圖7可以看出：白色區(qū)域是主要目標(biāo)區(qū)域，種子已從背景中完美分割出來，驗(yàn)證了本文研究的圖像處理算法的可行性和精確性。

物理機(jī)械播種裝置計(jì)算結(jié)果如圖8所示。圖8中，垂線表示種子區(qū)間的邊界線或中心線。

圖8 物理機(jī)械播種裝置計(jì)算結(jié)果

由圖8(a)可以看出：當(dāng)前統(tǒng)計(jì)區(qū)間被分為了6個(gè)完成時(shí)間段，橫線旁邊的數(shù)字為播種裝置計(jì)算該區(qū)間內(nèi)的種子數(shù)量。這表明，該算法能夠準(zhǔn)確地將每個(gè)目標(biāo)區(qū)域劃分為相關(guān)的統(tǒng)計(jì)區(qū)間，并能準(zhǔn)確地計(jì)算區(qū)間內(nèi)種子的數(shù)量。

由圖8(b)可以看出：該算法可以準(zhǔn)確地將每個(gè)目標(biāo)區(qū)域劃分為相應(yīng)的穴，并能夠精確計(jì)算每個(gè)穴中的種子數(shù)量，能夠方便計(jì)算裝置的播種量、重播量和播種率。

由圖8(c)可以看出：在圖8(b)的基礎(chǔ)上，該方法可以判斷裝置整個(gè)播種狀況。若穴中的種子數(shù)量大于1，則表明發(fā)生了重播，記重播次數(shù)為m-1。另外，在比較y軸方向上相鄰穴間距離與標(biāo)準(zhǔn)間距差后，可以實(shí)現(xiàn)對裝置的播種量、重播量和播種率的準(zhǔn)確計(jì)算。

5 結(jié)論

1)采用計(jì)算機(jī)輔助中的虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)，設(shè)計(jì)了播種裝置，包括機(jī)架、牽引或懸掛裝置、種子箱、排種器、傳動(dòng)裝置、輸種管、開溝器、劃行器、行走輪和覆土鎮(zhèn)壓裝置等部分。

2)基于圖像處理技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種檢測物理機(jī)械播種裝置性能參數(shù)檢測方法，能夠在條播、穴播和精密播種3種方式下實(shí)現(xiàn)對播種裝置的播種量、重播量和播種率的準(zhǔn)確計(jì)算。實(shí)際應(yīng)用表明：該方法具有較高的可行性和精確性。