基于漸進(jìn)式分割的蔬菜病蟲害識別仿真研究

李莉杰，王寶祥

(河南大學(xué)民生學(xué)院，河南 開封 475001)

1 引言

病蟲害是影響蔬菜種植與生產(chǎn)質(zhì)量的關(guān)鍵性因素，因此有效地識別病蟲害能從根本上保障蔬菜的產(chǎn)量與品質(zhì)[1]。僅憑肉眼的觀察無法實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的識別，為此，需設(shè)計一種識別精度高、速度快的計算機(jī)圖像處理系統(tǒng)，利用圖像分割技術(shù)區(qū)分病斑區(qū)域和正常區(qū)域，分割精度是影響識別效果的關(guān)鍵因素。當(dāng)前常見的相關(guān)圖像處理技術(shù)有邊緣檢測法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等[2-3]。為提升圖像處理效果，已有學(xué)者提出優(yōu)化措施。

高雄[4]等人指出國內(nèi)主要利用農(nóng)藥解決病蟲害問題，且精確施藥是應(yīng)對農(nóng)藥大規(guī)模噴灑的有效措施，其中的關(guān)鍵點(diǎn)為針對病蟲害位置進(jìn)行判斷識別，然后控制農(nóng)藥的噴灑。在該過程中，對采集到的農(nóng)作物圖片進(jìn)行相應(yīng)預(yù)處理，再對蟲害進(jìn)行特征識別提取，最后利用模糊識別方法完成蟲害圖像分類。王彥翔[5]等人針對農(nóng)作物病蟲害識別問題，引入了深度學(xué)習(xí)法。首先分析了深度學(xué)習(xí)中的圖像識別技術(shù)基本運(yùn)行原理，根據(jù)高光譜成像和深度學(xué)習(xí)方法相互結(jié)合，實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物病蟲害識別檢測。洪波[6]等人對近些年陜西省的蔬菜病蟲害和田間識別技術(shù)待優(yōu)化等相關(guān)問題進(jìn)行研究，將php+mysql當(dāng)作開發(fā)工具，設(shè)計并開發(fā)了微信平臺下蔬菜病蟲害專家識別診斷系統(tǒng)。該系統(tǒng)中包含病蟲害識別診斷、農(nóng)業(yè)資訊及日常生活幾個功能模塊，實(shí)現(xiàn)病蟲害的查詢和專家在線識別診斷以及植保實(shí)時推送發(fā)布等功能。系統(tǒng)用戶可以利用該系統(tǒng)和專家實(shí)現(xiàn)在線溝通交流，實(shí)時掌握病蟲害相關(guān)信息與防治策略。但上述方法存在病蟲害特征點(diǎn)選取不準(zhǔn)確的問題。

病蟲害識別是蔬菜生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)中的重要環(huán)節(jié)，為提升蔬菜的蔬菜種植質(zhì)量，優(yōu)化識別技術(shù)，提出基于漸進(jìn)式分割的蔬菜病蟲害識別方法。

2 漸進(jìn)式分割方法

漸進(jìn)式分割算法是對圖像形狀進(jìn)行分割的一種方法，該方法可根據(jù)視覺關(guān)鍵點(diǎn)，提取圖像有效信息。在實(shí)現(xiàn)圖像分割過程中，所選取分割線需滿足下述規(guī)則：

1)分割線需在圖像或給定區(qū)域內(nèi)部選??；

2)分割線間不相交。

其具體分割算法及過程如下所示：

首先給定區(qū)域S，利用IECDS方法獲取區(qū)域S的關(guān)鍵點(diǎn)Ai，其中，i表示關(guān)鍵點(diǎn)數(shù)量。進(jìn)行分割時，需考慮弦弧比，因此漸進(jìn)式分割過程可表示為

(1)

式中，D表示兩關(guān)鍵點(diǎn)間直線距離，L表示兩關(guān)鍵點(diǎn)間弧長。根據(jù)上述過程，可實(shí)現(xiàn)圖像關(guān)鍵點(diǎn)提取及圖像分割，處理結(jié)果如圖1所示。

圖1 漸進(jìn)分割過程

漸進(jìn)式分割是一種高效的圖像分割手段，為更好的應(yīng)用該方法，本文將通過采集蔬菜病蟲害圖像及其圖像處理，為病蟲害識別提供可信數(shù)據(jù)。

3 蔬菜病蟲害圖像的獲取與處理

3.1 素材圖像的獲取

所采集的蔬菜圖像來源于某蔬菜試驗(yàn)基地，使用攝影儀器在自然光線優(yōu)良的環(huán)境下直接采集蔬菜圖像。盡管蔬菜的病蟲害一般能夠引起全身癥狀，然而很多病蟲害癥狀均會在葉部表現(xiàn)出來。

蔬菜圖像樣本采集的時間段通常在早5點(diǎn)至6點(diǎn)，由于該段時間為蔬菜生長較為旺盛的時期，同樣是病蟲害癥狀表現(xiàn)最為顯著的時間，因此依據(jù)專家建議將該段時間作為病蟲害圖像采集的最佳時間。通過上述設(shè)定獲得兩組蔬菜圖像，如圖2所示。

圖2 蔬菜病蟲害圖像

3.2 蔬菜病蟲害圖像的處理

對蔬菜圖像進(jìn)行處理主要目的為突出其中的病蟲害信息，并削弱或者消除部分非關(guān)鍵信息，提升圖像清晰程度，優(yōu)化圖像視覺效果。本文將采用直方圖均衡化處理圖像，使圖像變得更為利于接下來的漸進(jìn)式分割，以精準(zhǔn)地識別出蔬菜中的病蟲害。

直方圖均衡化工作原理為壓縮原始圖像中像素數(shù)量比較少的部分，而拉伸像素數(shù)量比較多的部分[7-8]。假設(shè)在某個灰度級范圍之內(nèi)像素呈現(xiàn)出較為集中的狀態(tài)，由于被拉伸的部分像素相比被壓縮的部分要多一些，因此整幅圖像對比程度會顯著性增強(qiáng)，進(jìn)而圖像也會變得清晰。

針對一幅灰度級在[0～1]內(nèi)的蔬菜數(shù)字圖像，在該灰度級范圍內(nèi)，出現(xiàn)異?；叶鹊母怕蕿椋?/p>

(2)

其中，sk代表蔬菜圖像f(x，y)中第k級灰度值，nk代表圖像中有著灰度值sk的像素數(shù)量，n代表圖像中像素總數(shù)量。

設(shè)nk為自變量，將P(sk)函數(shù)曲線作為圖像灰度直方圖。圖像的灰度直方圖能夠直觀的表征圖像中所有灰度值整體情況?；叶戎狈綀D均衡化是指能夠直接作用在圖像像素上的增強(qiáng)方法，也就是依據(jù)原圖像灰度直方圖得到呈均勻分布形式的灰度直方圖方法[9-10]。利用公式表達(dá)則有

g(x，y)=EHf(x，y)

(3)

式(3)中，EH表示增強(qiáng)函數(shù)。此時，增強(qiáng)函數(shù)要滿足下面兩個條件

1)EH在0≤s<1是一個單值單調(diào)的遞增函數(shù)；

2)對0≤s<1有0≤EH<1。

條件(1)為保障原圖像中各個灰度級變換之后依然保持由黑至白的排列順序，即保證變換之后圖像不存在黑白顛倒的問題；條件(2)保證變換之前和之后的灰度值動態(tài)活動范圍是一致的，也就是保證變換之后圖像像素值在一個允許范圍之內(nèi)。

經(jīng)過上述圖像的灰度直方圖均衡化，可有效增強(qiáng)蔬菜圖像清晰程度。為了更加精準(zhǔn)地識別出蔬菜上的病蟲害，對圖像進(jìn)行二值化，實(shí)現(xiàn)病斑部位的分離，同時針對其進(jìn)行邊緣檢測與細(xì)線化操作，將其中的病斑輪廓提取出來，為病蟲害高精度分割識別提供支撐。

3.2.1 圖像二值化

實(shí)際上，一幅帶有病蟲害的蔬菜葉片圖像，在其灰度中，病變部分通常和正常的葉片部位灰度值存在顯著性差異，因此其灰度直方圖通常會有雙峰形狀，如圖3所示。

圖3 灰度直方圖雙峰形狀示意圖

圖3中的雙峰形狀中，其中一個峰描述的是正常葉片灰度值變化范圍，另一個描述的是病變位置灰度值變化范圍。在此，將波谷灰度值當(dāng)作閾值實(shí)現(xiàn)病害部分的分離，此種方法即為雙峰法求閾值。上述中的閾值處理表達(dá)式為

(4)

其中的t′為求解的閾值。

3.2.2 圖像邊緣檢測

以提取出病變部分的基本輪廓為目的，引入二階微分算子，對蔬菜病蟲害二值圖像進(jìn)行邊緣檢測操作。

病蟲害位置的邊緣和正常葉邊交接部位在灰度值上會有階梯形狀的灰度變化，梯度運(yùn)算通常適合應(yīng)用在邊緣為階梯狀變化的識別檢測中，實(shí)際上二階微分L(x，y)是對梯度再執(zhí)行一次微分操作，更加適應(yīng)邊緣檢測的實(shí)際強(qiáng)度，在蔬菜數(shù)字圖像中根據(jù)式(5)表示。

(5)

通過圖像微分算子實(shí)現(xiàn)邊緣檢測，利用提取得到的病蟲害基本輪廓，對其進(jìn)行細(xì)線化，獲取更為精確的病蟲害外形。實(shí)際應(yīng)用中，細(xì)線化操作即將線寬不是很均勻的邊緣線調(diào)整為統(tǒng)一線寬。

4 基于漸進(jìn)式分割的蔬菜病蟲害識別

基于上述圖像采集與處理，利用漸進(jìn)式分割實(shí)現(xiàn)蔬菜病蟲害識別。

針對漸進(jìn)式操作，設(shè)定當(dāng)前已經(jīng)分割出的區(qū)域是F，背景區(qū)域是U，畫筆刷B在F區(qū)域內(nèi)移動過程中不進(jìn)行計算，當(dāng)畫筆刷接觸到圖像背景區(qū)域，在背景區(qū)域U中激發(fā)一次優(yōu)化運(yùn)算，分割得到一個新區(qū)域F′，接著已經(jīng)分割的區(qū)域被更新成F=F∪F′，基于此準(zhǔn)備下一次輸入，如圖4(a)所示。

圖4 漸進(jìn)式分割過程示意圖

其中，S′代表種子點(diǎn)像素，R′代表包圍盒區(qū)域，L′代表局部前景像素，dF代表前端前景像素。

針對每次被激發(fā)的分割優(yōu)化，先對期望分割得到的局部前景區(qū)域顏色信息進(jìn)行評估。將B和當(dāng)前U交集中的像素表征為種子點(diǎn)像素，將其記作S′。以得到一個穩(wěn)定的評估結(jié)果為目的，利用將S′包圍盒變長來增大一定寬度，從而獲取一個更大的包圍盒R′。將R′和當(dāng)前分割區(qū)域F交集像素定義為局部前景像素L′，如圖3(b)所示。接著將S′、L′應(yīng)用至構(gòu)建局部顏色模型p(x)中，該模型為高斯混合模型。

根據(jù)上述計算與分析，更新背景顏色模型。當(dāng)用戶交互前，利用全圖隨機(jī)采樣的方式初始化一個帶有背景區(qū)域顏色的高斯混合模型。在用戶交互進(jìn)行中，因前景區(qū)域陸續(xù)被分割，每次交互均會失去一定數(shù)量的像素，因此在當(dāng)前剩余的背景區(qū)域范圍內(nèi)隨機(jī)選擇相同數(shù)量的像素彌補(bǔ)，同時重新評估高斯混合模型。

獲取圖像背景顏色模型之后，利用多尺度分割法求解能量函數(shù)式(6)最小值，獲取分割結(jié)果。

E(X)=∑pEd(xp)+λ∑p，qEc(xp，xq)

(6)

式中，λ代表權(quán)重值，Ed(xp)代表似然項(xiàng)，其為一個懲罰函數(shù)，表征了當(dāng)圖像像素p標(biāo)號為xp時的代價。Ec(xp，xq)代表交互能量項(xiàng)。

多尺度分割法求解過程如下：全局圖像分割優(yōu)化僅在最低尺度上操作，接著在各逐漸精細(xì)化尺度上，先將更為粗糙尺度上所得的計算結(jié)果實(shí)行上采樣獲取一個初始結(jié)果，該初始標(biāo)號結(jié)果在圖像大多數(shù)區(qū)域中均正確，僅在前景標(biāo)號交界位置較為粗糙。因此，在前景物體邊緣上，利用膨脹與腐蝕得到寬度為固定的窄帶，針對窄帶中圖節(jié)點(diǎn)繼續(xù)實(shí)行圖分割優(yōu)化，得到更為精細(xì)化的標(biāo)號。

式(6)中的Ed(xp)定義如下：

Ed(xp)=(1-xp)×K′

(7)

式中，K′代表足夠大的常數(shù)項(xiàng)。

經(jīng)上述分析可知，漸進(jìn)式的分割利用以下方面提升圖像交互式分割效率：其一，在優(yōu)化過程中僅有當(dāng)前圖像背景區(qū)域像素參與到計算，高效降低了計算過程的復(fù)雜程度，且在交互不斷進(jìn)行中，背景中像素數(shù)量不斷減少，速度也會呈現(xiàn)出不斷加快的趨勢。其二，因?qū)D像前景顏色進(jìn)行建模使用了局部估計法，式(7)中各個數(shù)據(jù)項(xiàng)對于圖像像素標(biāo)號的區(qū)分歧義比較小，因此降低了計算過程復(fù)雜度。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為驗(yàn)證基于漸進(jìn)式分割的蔬菜病蟲害識別方法有效性，進(jìn)行一次實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來源于某蔬菜種植基地，利用上述所提方法流程針對該試驗(yàn)地分別進(jìn)行圖像采集、處理和病蟲害識別。實(shí)驗(yàn)平臺軟件為matlab，處理設(shè)備為PC機(jī)，該P(yáng)C機(jī)配置為：內(nèi)存500M，硬盤100G。

以圖2為例，根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)環(huán)境分別對不同研究成果病蟲害圖像處理效果和識別準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證。

5.1 圖像處理清晰度

圖像處理效果對比：

分析圖5可知，經(jīng)所提方法處理可得到清晰的病蟲害病斑圖像，有效區(qū)分了病斑與葉片圖像。

圖5 不同研究成果圖像處理效果對比

5.2 關(guān)鍵點(diǎn)提取準(zhǔn)確度

通過上文分析，進(jìn)行蔬菜病蟲害圖像關(guān)鍵點(diǎn)提取。

通過圖6病蟲害區(qū)域分割結(jié)果可知，本文方法能夠有效進(jìn)行關(guān)鍵點(diǎn)布設(shè)，而關(guān)鍵點(diǎn)分布情況影響著病蟲害區(qū)域正確識別的準(zhǔn)確性?；诖?，進(jìn)行關(guān)鍵點(diǎn)布設(shè)準(zhǔn)確率對比。

圖6 漸進(jìn)式分割步驟

圖7 不同研究成果關(guān)鍵點(diǎn)布設(shè)準(zhǔn)確性對比

分析上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，與文獻(xiàn)成果相比，基于漸進(jìn)式分割的蔬菜病蟲害識別方法利用灰度直方圖均衡化法對蔬菜圖像進(jìn)行增強(qiáng)，其中為增強(qiáng)函數(shù)設(shè)置了需要滿足的條件，有效保障了圖像增強(qiáng)效果。為了更加精準(zhǔn)地識別出蔬菜上的病蟲害，對圖像進(jìn)行二值化，實(shí)現(xiàn)病斑部位的分離，同時針對其實(shí)行邊緣檢測與細(xì)線化操作，布設(shè)關(guān)鍵點(diǎn)，將其中的病斑輪廓提取出來，為病蟲害高精度分割識別奠定了基礎(chǔ)。在病蟲害識別過程中，通過從局部到全局的漸進(jìn)式分割方式提取出病蟲害，由粗至細(xì)的操作，更加提高了所提方法的識別準(zhǔn)確性。

6 結(jié)束語

蔬菜是大眾生活中不可缺少的食物，其對于國民經(jīng)濟(jì)而言也十分重要。鑒于當(dāng)前蔬菜病蟲害識別相關(guān)研究成果存在的問題，提出基于漸進(jìn)式分割的蔬菜病蟲害識別方法，分別通過圖像采集、處理為識別提供支撐，最后通過漸進(jìn)式分割的方式完成蔬菜病蟲害檢測。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，所提方法性能優(yōu)越，是一種可行的識別方法。下一步可將漸進(jìn)式分割法與智能擇優(yōu)算法相結(jié)合，以更好地實(shí)現(xiàn)水果蔬菜中病蟲害分類識別。