柑橘采摘機(jī)器人的目標(biāo)識別定位方法研究

成芳 吳文秀 何涵 黃遠(yuǎn)翔 付運(yùn)金

摘? 要：該文利用CCD雙目攝像機(jī)采集柑橘的圖片信息，分析計(jì)算圖像的RGB3個(gè)分量的灰度值，并轉(zhuǎn)換為HSV顏色空間，利用Canny邊緣算子分割圖片中的柑橘和枝葉，利用最小二乘法進(jìn)行橢圓擬合，求出果實(shí)質(zhì)心，提高識別成熟果實(shí)的成功率。

關(guān)鍵詞：目標(biāo)識別? 閾值分割? 最小二乘法

中圖分類號：TP391.41;TP242? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1672-3791（2019）04（b）-0030-02

隨著農(nóng)業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展和農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力短缺，自動(dòng)化采摘是農(nóng)業(yè)發(fā)展的趨勢。在柑橘采摘環(huán)節(jié)中，由于枝葉遮擋部分果實(shí)，導(dǎo)致采摘機(jī)器人難以識別及定位果實(shí)，為了提高采摘效率與質(zhì)量，需要分析采集圖片的灰度值，確定圖片中的果實(shí)，然后利用分割方法對背景和果實(shí)進(jìn)行分割，求出果實(shí)質(zhì)心。

1? 果實(shí)識別

為避免錯(cuò)誤采摘未成熟的青色果實(shí)和因枝葉遮擋漏摘果實(shí)而造成損失，需要對采集到的圖像進(jìn)行圖像分析，識別出已成熟柑橘，對果實(shí)和背景進(jìn)行分割，去除枝葉小噪聲。

1.1 顏色空間

常見的顏色空間有RGB顏色空間、HSV顏色空間、Lab顏色空間等。

RGB顏色空間一般為圖像處理的基本顏色空間，RGB三種顏色分量的灰度值都在[0，255]之間。通過對比RGB三種顏色分量之間的關(guān)系，經(jīng)過公式計(jì)算，可以得出果實(shí)的顏色。

HSV顏色空間為六角椎體模型，H表示色調(diào)，取值區(qū)間為[0°，360°];S表示飽和度，取值區(qū)間為[0，255];V表示亮度，取值區(qū)間為[0，1]（見圖1）。

HSV顏色空間更趨近生活中人眼對色彩的感受，此文采用HSV模型對圖片進(jìn)行分析。HSV顏色空間可以由RGB顏色空間轉(zhuǎn)換而來，轉(zhuǎn)換公式如下。

通過公式計(jì)算可以得到圖片中柑橘的色調(diào)、飽和度和亮度，在H、S、V通道中，分析H通道的灰度值可以確定圖片中的柑橘、背景和枝葉。

1.2 圖像分割

圖像分割方法一般有閾值分割法、邊緣分割法、k-means聚類算法等。

基于邊緣的分割方法是利用微分算法對圖片的邊緣灰度值進(jìn)行檢測，由于邊緣灰度值階躍性變化較大，可以檢測到果實(shí)的邊緣點(diǎn)集，將圖片的果實(shí)輪廓與背景分割，精度高，運(yùn)算快。常用的邊緣算子有Canny邊緣檢測算子、 Harris角點(diǎn)檢測算子和SIFT邊緣檢測算子等。

該文采用Canny算子對圖片進(jìn)行邊緣分割，Canny算子運(yùn)算步驟如下。

（1）對圖像進(jìn)行高斯濾波，模糊圖像。

（2）計(jì)算圖像上像素點(diǎn)的梯度方向和幅值，若幅值大于給定的臨界值，就會(huì)將它作為邊緣。

（3）去掉局部像素點(diǎn)非極大值幅值，避免將非邊緣作為邊緣處理。

（4）利用雙閾值法來檢測和連接邊緣。

經(jīng)過以上步驟處理過的圖片，可以成功地分割果實(shí)與背景，避免將枝葉造成的偽邊緣也當(dāng)作邊緣處理，提高算法的抗干擾能力。

2? 果實(shí)定位

2.1 雙目攝像機(jī)原理

雙目攝像機(jī)與人眼識別定位原理相似，人眼通過對比左右眼視差得出目標(biāo)的深度信息;雙目攝像機(jī)左右相機(jī)同時(shí)拍攝目標(biāo)果實(shí)，兩條視線必然相交于一點(diǎn)，這個(gè)點(diǎn)就是果實(shí)上某一個(gè)像素點(diǎn)，與三角測量原理相似（見圖2）。

P1（u1，v1）為左圖像上的一點(diǎn)，P2（u2，v）為右圖像上的同一點(diǎn)。左右攝像機(jī)的距離為0102=b，f代表焦距，P（X，Y，Z）為該點(diǎn)在像素坐標(biāo)系的空間坐標(biāo)。相關(guān)公式（4）如下。

2.2 果實(shí)質(zhì)心定位

Canny算法可以提取柑橘果實(shí)的邊緣輪廓，其輪廓大多為橢圓，通過橢圓擬合來確定質(zhì)心，常用的橢圓擬合方法為最小二乘法。最小二乘法是一種優(yōu)化算法，通過尋找橢圓參數(shù)，然后將誤差平方和最小化，誤差一般指幾何距離和代數(shù)距離，本文采用代數(shù)擬合橢圓的方法，橢圓公式（5）如下。

橢圓的代數(shù)擬合方程如下。

其中，a=（A，B，C，D，E，F(xiàn)）表示系數(shù)向量，x=（x2，xy，y2，x，y，1）T。將實(shí)際點(diǎn)代入公式11中，將獲取的邊緣點(diǎn)集進(jìn)行最小二乘法處理，就可以得到方程中的各個(gè)參數(shù)，由于獲取的邊緣點(diǎn)不可能正好在橢圓上，所以函數(shù)F（α，x）不等于零，所以求出函數(shù)F（α，x）的最小值，就可以確定參數(shù)，計(jì)算出柑橘質(zhì)心。若要使函數(shù)得到最小值，則：

求解此線性方程組就可以得到橢圓的各個(gè)參數(shù)。

3? 結(jié)語

通過對圖片進(jìn)行HSV分析和Canny邊緣算子分割，可以確定成熟柑橘果實(shí)，確定果實(shí)、背景和果柄，減小了枝葉噪聲對識別結(jié)果的干擾，同時(shí)得到柑橘邊緣輪廓點(diǎn)集，利用最小二乘法對橢圓柑橘進(jìn)行擬合，求出柑橘質(zhì)心，提高了定位精度。

參考文獻(xiàn)

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[3] 朱暉.雙目圖像的目標(biāo)分割方法研究[D].西安電子科技大學(xué)，2018.①作者簡介：成芳（1995—），女，漢族，湖北荊州人，碩士在讀，研究方向：機(jī)電控制工程。

①作者簡介：成芳（1995—），女，漢族，湖北荊州人，碩士在讀，研究方向：機(jī)電控制工程。