高速攝像技術(shù)在我國農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用探討

鄔培生 章小勤 孫榮

摘 要：高速攝像技術(shù)在現(xiàn)代社會(huì)中的應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)大，其能夠?qū)⒏咚龠\(yùn)動(dòng)變化過程中的空間信息和時(shí)間緊密聯(lián)系在一起，從而對(duì)圖像進(jìn)行記錄。在數(shù)十年的發(fā)展過程中，高速攝像技術(shù)已經(jīng)從單純的軍事應(yīng)用方面擴(kuò)展到民用生產(chǎn)的各個(gè)方面，在農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域也具有廣泛的應(yīng)用空間，并且取得了較高的技術(shù)成就。

關(guān)鍵詞：高速攝像技術(shù);農(nóng)業(yè)機(jī)械;應(yīng)用

中圖分類號(hào)：S23文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.19754/j.nyyjs.20191030018

1 高速攝像技術(shù)的概念及其工作原理

1.1 高速攝像技術(shù)的概念

高速攝像技術(shù)是通過相應(yīng)的技術(shù)設(shè)備，將處于高速運(yùn)動(dòng)變動(dòng)過程中的物體所產(chǎn)生的空間和時(shí)間信息密切的結(jié)合在一起，從而將瞬息萬變、高速運(yùn)轉(zhuǎn)的過程連續(xù)記錄下來，之后再采用對(duì)應(yīng)的圖像分析設(shè)備對(duì)采集的內(nèi)容進(jìn)行定量計(jì)算。當(dāng)采用正常速度對(duì)記錄目標(biāo)進(jìn)行播放時(shí)，就能夠?qū)⒉杉降淖兓^程清晰、緩慢的呈現(xiàn)在人們面前。

1.2 高速攝像的工作原理

處于高速運(yùn)動(dòng)中的目標(biāo)自身會(huì)發(fā)光，或者在自然光及人工輔助照明方式的照射下，會(huì)產(chǎn)生反射光的現(xiàn)象。這些光的一部分會(huì)在透過高速成像系統(tǒng)的成像物鏡后落在光電成像器件的像感面上，對(duì)應(yīng)的光電器件在驅(qū)動(dòng)電路的控制下，會(huì)對(duì)像感面上的目標(biāo)像及時(shí)予以相應(yīng)，也就是根據(jù)像感面上目標(biāo)光能量分布在對(duì)應(yīng)的像素點(diǎn)上產(chǎn)生一致性的電荷包，從而完成圖像的光電轉(zhuǎn)換過程。這些帶有圖像信息的電荷包會(huì)被迅速存儲(chǔ)到寄存器中，然后把信號(hào)傳輸至電腦中，在電腦對(duì)圖像進(jìn)行顯示和判讀的情況下，進(jìn)而完成整個(gè)高速攝像和初步應(yīng)用的過程。由于高速攝像具有拍攝精度高、相應(yīng)速度快、對(duì)工作環(huán)境要求低、存儲(chǔ)信息量大等多方面的優(yōu)點(diǎn)，在農(nóng)業(yè)機(jī)械的生產(chǎn)和工作領(lǐng)域中，具有廣泛的應(yīng)用空間。

2 在農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域的研究與應(yīng)用

2.1 高速攝像技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀

通過對(duì)相關(guān)的文獻(xiàn)進(jìn)行查詢，基于高速攝像技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域的研究起始于2003年左右，最初的研究內(nèi)容多是從精密排種器的應(yīng)用中開始，經(jīng)過數(shù)年的發(fā)展，逐漸延伸到充種、輪播和脫粒等不同農(nóng)業(yè)機(jī)械生產(chǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域。就目前的研究范圍而言，其具體的研究范圍已經(jīng)精確到各種不同的農(nóng)作物的農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域。從這些文獻(xiàn)的研究水平而言，70%以上的研究是屬于高水平的研究，并且在實(shí)際應(yīng)用過程中得以廣泛的推廣。但是就整體上而言，這些研究內(nèi)容范圍還比較狹窄，對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械生產(chǎn)和應(yīng)用技術(shù)的研究還不夠深入，尤其是近些年高速攝像技術(shù)不斷提升的情況下，相關(guān)研究人員沒能夠?qū)⑦@些熱點(diǎn)技術(shù)及時(shí)與農(nóng)業(yè)機(jī)械研究的內(nèi)容深入結(jié)合在一起，不能不說是這一研究領(lǐng)域中的缺憾之一。

2.2 高速攝像技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用

雷小龍博士[1]通過將高速攝像技術(shù)與相關(guān)理論結(jié)合在一起，深入分析了集排器氣流場和種子在集排器中的運(yùn)動(dòng)特性、遷移軌跡等工作原理，從而設(shè)計(jì)出1種具有高利用率、能夠滿足油菜和小麥兩用的氣送式集排器。通過科學(xué)設(shè)計(jì)，不僅能夠極大的提高機(jī)械化播種的效率，降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)成本，提升企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，還能夠極大的提升我國農(nóng)業(yè)機(jī)械化的生產(chǎn)水平，為農(nóng)業(yè)科技的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。朱忠祥[2]等通過將虛擬仿真技術(shù)與高速攝像技術(shù)結(jié)合在一起，精確分析出玉米果穗在剝皮機(jī)構(gòu)中的運(yùn)動(dòng)，在證明其仿真數(shù)據(jù)能夠與高速攝像試驗(yàn)結(jié)果保持較高程度一致的情況下，為剝皮機(jī)的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)提供了較為準(zhǔn)確的理論依據(jù)。此外在相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用研究中，不同學(xué)者還針對(duì)玉米脫粒機(jī)、玉米秸稈皮穰分離裝置、辣椒的機(jī)械化收獲機(jī)械、春葡萄挖藤機(jī)、牧草的撿拾機(jī)械等做出了深入的研究。在這些研究內(nèi)容中不僅為現(xiàn)在已經(jīng)投入運(yùn)行的機(jī)械設(shè)備在性能方面進(jìn)行了提升，而且對(duì)新型設(shè)備的研發(fā)提供了較高水平的理論支持。

3 高速攝像技術(shù)應(yīng)用中存在的問題和解決對(duì)策

3.1 在農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域應(yīng)用中的范圍不夠廣泛

我國的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)類型多種多樣，南方和北方地區(qū)、東部和西部地區(qū)的農(nóng)業(yè)類型之間存在較大的差異，這些作物的成長季節(jié)和生長特點(diǎn)等方面具有諸多不同，對(duì)于機(jī)械應(yīng)用的類型也有不同要求，但是目前農(nóng)業(yè)機(jī)械科技化的研究過程中，應(yīng)用高速攝像技術(shù)的方面大多是集中在玉米、小麥和水稻3種種植范圍最為廣泛的作物種類上，對(duì)于經(jīng)濟(jì)作物的機(jī)械化設(shè)備研究則有很大局限性。由于經(jīng)濟(jì)作物更加重視單產(chǎn)的效率，所以加強(qiáng)高速攝像在這類農(nóng)業(yè)機(jī)械的研究和生產(chǎn)中的應(yīng)用，是未來的發(fā)展方向之一，只有強(qiáng)化這方面的技術(shù)研究，才能將農(nóng)業(yè)技術(shù)的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)展。

3.2 在農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域應(yīng)用中的研究不夠深入

目前已經(jīng)開展的高速攝像技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的試驗(yàn)，大多是基于試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行研究，與實(shí)際要求之間還存在較大的差距，產(chǎn)生這方面問題的原因主要有2個(gè)方面：農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)本身是屬于第一產(chǎn)業(yè)，其所創(chuàng)造的單產(chǎn)價(jià)值有限，進(jìn)行相關(guān)設(shè)備研發(fā)的經(jīng)濟(jì)效益和投入之間不成正比，造成國家相關(guān)部門和經(jīng)營企業(yè)對(duì)這方面的研究投入力度不夠，甚至還存在較為嚴(yán)重的人才流失現(xiàn)象;我國的高速攝像技術(shù)相對(duì)還比較落后，在實(shí)際應(yīng)用過程中無法達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)的需求，在進(jìn)行相關(guān)研究時(shí)，研究者不能將最新的技術(shù)成果與相關(guān)的理論研究結(jié)合在一起，將研究內(nèi)容繼續(xù)深入。要解決這方面的問題，需要各相關(guān)部門加大對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)化水平的認(rèn)識(shí)，不斷提升資金投入力度，從根本上解決高速攝像等相關(guān)技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域應(yīng)用的限制。

3.3 農(nóng)業(yè)機(jī)械研究人員水平不足

將高速攝像技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域的研究中，屬于跨行業(yè)研究范圍，在進(jìn)行研究過程中，需要研究者或研究團(tuán)隊(duì)對(duì)2方面的應(yīng)用技術(shù)都有著深厚的理解。但是就農(nóng)業(yè)人才的培養(yǎng)體系而言，目前我國在這方面的建設(shè)還比較落后，多數(shù)農(nóng)業(yè)人才在培養(yǎng)過程完成之后，由于各方面的原因開始逐漸脫離行業(yè)研究的范圍，這就使得農(nóng)業(yè)機(jī)械行業(yè)的整體研究水平無法得到科學(xué)的提升[3]。農(nóng)業(yè)發(fā)展的問題始終是我國社會(huì)發(fā)展中需要解決的重要問題之一，在未來的發(fā)展過程中，農(nóng)業(yè)機(jī)械化的應(yīng)用水平的不斷提高，是解決這一問題的核心方法，只有不斷加大在這方面的資金和人力資源投入力度，吸引更多的人才投入到這方面的研究之中，建立起老中青相結(jié)合的研究團(tuán)隊(duì)，逐步建立和完善具有階梯式發(fā)展的研究隊(duì)伍，緊跟時(shí)代發(fā)展的潮流，將高速攝像技術(shù)研究的最新成果與農(nóng)業(yè)機(jī)械研究的內(nèi)容深入結(jié)合在一起，從而不斷提升農(nóng)業(yè)機(jī)械的科技化的研究水平。

4 結(jié)束語

高速攝像技術(shù)本身的飛速發(fā)展，使其在社會(huì)生產(chǎn)生活的各個(gè)方面都取得了廣泛的應(yīng)用，但是就目前而言，其在農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用還無法達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的需求，在未來的發(fā)展過程中，各相關(guān)部門必須不斷加大在這方面的投入程度，提升高速攝像技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械中的研究水平，通過高速攝影技術(shù)的應(yīng)用，不斷完善農(nóng)業(yè)機(jī)械的研究體系，研究出更加適合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要，能夠真正提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平的農(nóng)業(yè)機(jī)械。

參考文獻(xiàn)

[1] 雷小龍. 油麥兼用型氣送式集排器設(shè)計(jì)及其工作機(jī)理[D].武漢：華中農(nóng)業(yè)大學(xué)，2017.

[2]朱忠祥，岳小微，杜岳峰，宋正河，毛恩榮，王波.玉米果穗剝皮的運(yùn)動(dòng)仿真與高速攝像試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2015，31（06）：42-48.

[3]孔照興.簡析農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化、信息化和智能化的路徑選擇[J].南方農(nóng)機(jī)，2019，50（11）：57-58.

作者簡介：

鄔培生（1963-），男，本科，工程師。研究方向：農(nóng)機(jī)水利管理與技術(shù)推廣。