基于實(shí)時(shí)點(diǎn)云重建的播種均勻性變異系數(shù)測(cè)量方法

摘要：傳統(tǒng)播種均勻性變異系數(shù)的測(cè)量需人工定位和計(jì)數(shù)，耗時(shí)耗力，效率較低。為提高播種均勻性變異系數(shù)測(cè)定的速度和精度，研究利用實(shí)時(shí)點(diǎn)云重建技術(shù)實(shí)現(xiàn)播種均勻性變異系數(shù)的自動(dòng)測(cè)量。首先通過深度相機(jī)獲取種子圖像和環(huán)境稠密點(diǎn)云信息；接著進(jìn)行圖像分割，計(jì)算種子形心的圖像坐標(biāo)；然后再從實(shí)時(shí)點(diǎn)云信息中篩選出種子的三維坐標(biāo)；最后將該三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換至初始坐標(biāo)系，并向水平面投影，進(jìn)而根據(jù)投影結(jié)果實(shí)現(xiàn)播種均勻性變異系數(shù)的測(cè)定。試驗(yàn)結(jié)果表明，所提出的方法與人工測(cè)量相比，在水平方向的平均定位誤差分別為2.08 mm和2.443 mm，單次測(cè)量耗時(shí)小于0.5 s，播種均勻性變異系數(shù)誤差為0.4%。

關(guān)鍵詞：實(shí)時(shí)點(diǎn)云；播種機(jī)；播種均勻性；變異系數(shù)；深度相機(jī)

中圖分類號(hào)：S223.2； S512" " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " " 文章編號(hào)：2095?5553 （2024） 10?0223?06

Measurement method of variation coefficient of seeding uniformity based on

real?time point cloud reconstruction

Wang Chaozhu1， Yang Haoyong1， Wu Xiaoqian2， Ding Yongqian2， Tian Guangzhao3

（1. Jiangsu Agricultural Machinery Testing Station， Nanjing， 210017， China;

2. College of Artificial Intelligence， Nanjing Agricultural University， Nanjing， 210031， China;

3. College of Engineering， Nanjing Agricultural University， Nanjing， 210031， China）

Abstract： The measurement of the coefficient of variation of traditional sowing uniformity requires manual positioning and counting， which is time?consuming， labor?intensive， and inefficient. In order to improve the speed and accuracy of measuring the coefficient of variation of sowing uniformity， the automatic measurement of the coefficient of variation of sowing uniformity using real?time point cloud reconstruction technology was studied." Firstly， the seed images and environmental dense point cloud information are obtained through a depth camera. Then， image segmentation is performed to calculate the image coordinates of the seed centroid. Then， the three?dimensional coordinates of the seed are filtered out from the real?time point cloud information. Finally， they are transformed into the initial coordinate system and projected onto a water plane. Based on the projection results， the measurement of the coefficient of variation of sowing uniformity is achieved. The experimental results show that compared with manual measurement， the proposed method has average positioning errors of 2.08 mm and 2.443 mm in the horizontal direction， with a single measurement time of less than 0.5 s， and an error of 0.4% in the coefficient of variation of sowing uniformity.

Keywords： real?time point cloud; seeder; sowing uniformity; variation coefficient; depth camera

0 引言

播種是糧食生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，播種質(zhì)量的好壞決定著糧食產(chǎn)量，但播種機(jī)工作時(shí)由于機(jī)械振動(dòng)，不可避免出現(xiàn)漏播、重播等情況，嚴(yán)重影響播種質(zhì)量[1]。因此，研制高質(zhì)量的播種機(jī)對(duì)提高作物產(chǎn)量有著重要意義。如何快速和準(zhǔn)確地檢測(cè)播種機(jī)具的性能則是研制高質(zhì)量播種機(jī)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[2]，而播種均勻性是衡量播種機(jī)性能與質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。當(dāng)前農(nóng)機(jī)鑒定部門對(duì)播種變異系數(shù)的測(cè)定多是依靠人工拿尺子在土壤中測(cè)量種子位置和分布，再根據(jù)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行變異系數(shù)的計(jì)算。該方法會(huì)耗費(fèi)大量人力物力，還無法保證測(cè)量速度和精度，滿足不了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)高效和智能化的要求。

20世紀(jì)40年代起，國外開始有學(xué)者開展播種監(jiān)測(cè)研究。目前已知的播種均勻性測(cè)定技術(shù)，根據(jù)其對(duì)種子的感知方式可以分為：光電效應(yīng)法、壓電效應(yīng)法、電容傳感法、機(jī)器視覺檢測(cè)方法等[3]。前3種方法主要是通過檢測(cè)種子下落的運(yùn)動(dòng)過程，判斷種子的重播、漏播和變異系數(shù)等[4]。其中光電傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉等優(yōu)勢(shì)，但易受灰塵影響，壓電傳感器雖在灰塵、振動(dòng)環(huán)境下更加穩(wěn)定，但需要與種子接觸改變落種軌跡，電容傳感器則因自身阻抗問題，運(yùn)用范圍受限。因此，目前光電檢測(cè)法還是使用較為廣泛的檢測(cè)方法之一[5?7]。

隨著計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的發(fā)展，高速攝像技術(shù)開始逐步代替人工檢測(cè)播種均勻性。Yazgi等[8]采用高速攝像技術(shù)對(duì)排種過程種子的運(yùn)動(dòng)軌跡及排種均勻性進(jìn)行研究，從而為優(yōu)化排種器參數(shù)設(shè)計(jì)提供可靠理論依據(jù)。Karayel等[9]利用高速攝像系統(tǒng)對(duì)播種機(jī)的種子間距和種子種粒速度進(jìn)行測(cè)量，通過對(duì)系統(tǒng)采集的排種信息進(jìn)行處理獲得排種器排種均勻性參數(shù)。李偉[10]采用三臺(tái)面陣CCD攝像機(jī)聯(lián)合采集種子信息，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多類型播種機(jī)具播種精度的檢測(cè)。雷福寶[11]基于線陣CCD實(shí)時(shí)處理技術(shù)設(shè)計(jì)了一種精密播種檢測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以對(duì)玉米種子分布情況進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)采集。

除了高速攝像技術(shù)的應(yīng)用研究，利用機(jī)器視覺進(jìn)行均勻性檢測(cè)的算法研究也不在少數(shù)。蔡曉華等[12]提出了一種預(yù)處理動(dòng)態(tài)閾值方法，通過選取最佳閾值和種子分布樣本進(jìn)行種子粒距的實(shí)時(shí)測(cè)量。張海娜等[13]將經(jīng)過大津法二值化分割后的圖像進(jìn)行一系列圖像處理，得到種子陣列寬度、種子陣列間隔、陣列中心、非種子間隔的信息，基于這些信息計(jì)算出播種均勻性。而雙目相機(jī)的出現(xiàn)，則使得利用圖像處理和雙目立體視覺技術(shù)實(shí)現(xiàn)小麥種子的定位成為一種可行的方案。雙目立體測(cè)距技術(shù)僅僅通過二維圖像就能識(shí)別出目標(biāo)物體的位置信息，其在三維場(chǎng)景重建[14]、目標(biāo)識(shí)別與測(cè)距[15， 16]上已經(jīng)有了廣泛應(yīng)用。

本文通過深度相機(jī)同時(shí)采集小麥種子的圖像和實(shí)時(shí)點(diǎn)云信息，通過圖像處理算法提取種子在二維圖像中的坐標(biāo)后，再從實(shí)時(shí)環(huán)境點(diǎn)云信息中篩選出種子的三維坐標(biāo)，最后將該三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換至初始坐標(biāo)系，并向水平面投影，進(jìn)而根據(jù)投影結(jié)果計(jì)算播種均勻性變異系數(shù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)臺(tái)搭建

1.1.1 圖像采集設(shè)備

采用ZED 2深度相機(jī)，如圖1所示。該相機(jī)為RGB-D深度相機(jī)，能夠同時(shí)輸出RGB圖和實(shí)時(shí)點(diǎn)云圖。同時(shí)該相機(jī)內(nèi)置100 Hz的IMU慣性測(cè)量單元，可以輸出三軸角度和角加速度，方便進(jìn)行坐標(biāo)變換。

1.1.2 場(chǎng)景搭建

為了盡可能還原播種機(jī)鑒定時(shí)的場(chǎng)景，搭建模擬檢測(cè)環(huán)境。在地面鋪設(shè)12 mm長的黑色絨布，既可以濾除雜亂的背景，又可以用來防止種子落地反彈，模擬種子落入土壤的效果。絨布正上方架設(shè)四通道播種機(jī)，機(jī)器工作一個(gè)行程，使種子全部落于絨布上。由于拍攝角度會(huì)直接影響圖像的畸變程度，通常拍攝時(shí)的相機(jī)偏角越大，采集到的圖像畸變就會(huì)越明顯[17]。為了減少相機(jī)畸變對(duì)圖像處理的影響，將雙目相機(jī)以豎直向下，垂直于播種機(jī)前進(jìn)方向的角度采集數(shù)據(jù)。

1.2 圖像處理算法

小麥種子圖像在采集后，由于圖像中僅有種子和黑色絨毛背景兩種物體，因此圖片預(yù)處理相對(duì)簡單，但能明顯發(fā)現(xiàn)黑色絨毛布在光線作用下會(huì)反光，因此在進(jìn)行背景分割時(shí)需考慮去除反光帶來的干擾。完成背景分割后提取小麥種子輪廓，通過計(jì)算質(zhì)心得到種子在圖像中的二維坐標(biāo)，然后再根據(jù)此二維坐標(biāo)從實(shí)時(shí)環(huán)境點(diǎn)云信息中篩選出種子的三維坐標(biāo)W。該坐標(biāo)系為相機(jī)坐標(biāo)系，原點(diǎn)在左相機(jī)光心，從左相機(jī)光心指向右相機(jī)光心的連線為x軸正方向，按照右手規(guī)則將x軸在成像面內(nèi)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°為y軸正方向，拇指方向即為z軸正方向。

由于安裝精度原因，相機(jī)不可能完全垂直于地面。因此需要結(jié)合IMU的三軸姿態(tài)數(shù)據(jù)（航向角h、俯仰角p、翻滾角r）對(duì)種子的空間坐標(biāo)進(jìn)行矯正。通過相機(jī)姿態(tài)參數(shù)，對(duì)W矩陣進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，使各點(diǎn)坐標(biāo)回到初始坐標(biāo)系下，得到W'矩陣。初始坐標(biāo)系的定義：原點(diǎn)在左相機(jī)光心，航向角與當(dāng)前方向一致、俯仰角和翻滾角均為0°，水平向右為x'軸正方向，按照右手規(guī)則，垂直向下為y'軸，拇指方向?yàn)閦'軸。

[W'=R-1WT]

[R=r11r12r13r21r22r23r31r32r33]

[r11=coshcosr]

[r12=coshsinr]

[r13=-sinh]

[r21=-cospsinr+sinpsinhcosr]

[r22=cospcosr+sinpsinhsinr]

[r23=sinpcosh]

[r31=sinpsinr+cospsinhcosr]

[r32=-sinpcosr+cospsinhsinr]

[r33=cospcosh]

根據(jù)最新發(fā)布的DG/T027—2019《農(nóng)業(yè)機(jī)械推廣鑒定大綱》[18]播種變異系數(shù)的測(cè)量要求，需要統(tǒng)計(jì)種子在地平面空間上的分布。因此需要將W'矩陣中的坐標(biāo)向x'Oz'平面（地平面）投影。

1.3 播種均勻性變異系數(shù)計(jì)算

在x'Oz'平面上劃定3個(gè)矩形小區(qū)，每個(gè)小區(qū)在橫向上需要包含6行種子，縱向尺寸為400 mm。小區(qū)內(nèi)每行種子再劃出兩個(gè)矩形區(qū)段，區(qū)段橫向尺寸為300 mm，縱向尺寸為100 mm。

由于每粒種子在x'Oz'平面的投影坐標(biāo)已知，即可確定每粒種子是否在劃定小區(qū)的內(nèi)部。通過計(jì)算機(jī)自動(dòng)計(jì)算各小區(qū)每區(qū)段的種子數(shù)量xi以及各小區(qū)每區(qū)段種子的平均數(shù)量Xi（i表示小區(qū)編號(hào)，取值1～3），那么播種均勻性變異系數(shù)

[V=118i=118（xi-13i=13Xi）213i=13Xi×100%]

算法流程和變異系數(shù)區(qū)段劃分示意圖分別如圖2、圖3所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 圖像分割

本試驗(yàn)采集的圖像是分辨率1 080 P的RGB圖，圖像處理算法部分采用OpenCV庫進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，編程語言采用Python。為了成功提取小麥種子在圖像中的二維像素點(diǎn)坐標(biāo)，需先對(duì)圖像進(jìn)行閾值分割處理。

閾值分割處理一般看作是對(duì)灰度圖像的二值化處理[19]，因此在進(jìn)行閾值分割處理前需先將RGB圖轉(zhuǎn)成灰度圖。在圖像分割中，閾值的選取對(duì)分割結(jié)果有很大的影響，如何獲得最優(yōu)的閾值是實(shí)現(xiàn)閾值分割的關(guān)鍵[20]。本文對(duì)比了固定閾值分割和最大類間方差法（Otsu），如圖4所示。兩種方法均能達(dá)到預(yù)想分割效果，但固定閾值分割效果的好壞取決于人為給定閾值，而最大類間方差法則可以根據(jù)圖像的灰度直方圖找到最佳閾值。

2.2 小麥種子標(biāo)記

為了提取出小麥種子的二維坐標(biāo)，需要將小麥種子的輪廓繪制出來。在此之前，先使用findContours（）函數(shù)找出圖像中的連通域并計(jì)算各個(gè)連通域的面積。小麥種子大小基本相似，因此可以基于面積特征設(shè)置一個(gè)閾值，濾除圖片中由于光線不均等原因造成的干擾項(xiàng)。經(jīng)過降噪處理后，計(jì)算圖片中剩余連通域的質(zhì)心，并對(duì)連通域進(jìn)行標(biāo)記，如圖5所示，該算法沒有出現(xiàn)漏檢、多檢等情況。最后，通過計(jì)算小麥種子的質(zhì)心確定其在圖像中的二維坐標(biāo)，即像素特征點(diǎn)。

2.3 小麥種子定位

三維點(diǎn)云相比于二維圖像能夠更加全面真實(shí)的反映物體的空間位置和姿態(tài)，目前已廣泛應(yīng)用于物體特征識(shí)別、位姿表達(dá)、尺寸測(cè)量等場(chǎng)景中[21]。但通過相機(jī)硬件計(jì)算得到的實(shí)時(shí)點(diǎn)云中包含了種子和其他環(huán)境信息，且由于點(diǎn)云數(shù)據(jù)無序且離散，無法從中直接獲取目標(biāo)位置信息，因此需融合信息豐富的二維圖像。在提取到種子的像素特征點(diǎn)后，便能從無序的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中匹配出目標(biāo)的三維坐標(biāo)。并對(duì)其進(jìn)行三維重建，用三維繪圖軟件將種子分布情況繪制出來，通過多個(gè)視角觀察其分布均勻性，如圖6所示。

2.4 坐標(biāo)矯正并向地平面投影

得到種子在相機(jī)坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)后，通過矩陣旋轉(zhuǎn)變換，使其恢復(fù)到初始坐標(biāo)系下，進(jìn)而向地平面投影。

當(dāng)旋轉(zhuǎn)矩陣[R=" " 0.999 80.019 40" " " " "-0.014 20.731 2-0.682 0-0.013 20.681 9" " 0.731 4]時(shí)，投影效果如圖7所示。

為了驗(yàn)證算法的速度和準(zhǔn)確性，設(shè)計(jì)了10組試驗(yàn)，對(duì)單粒種子分別用本文算法和人工測(cè)量的實(shí)際坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，同時(shí)記錄算法處理時(shí)間，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。該算法在x'軸方向平均誤差為2.08 mm，z'軸方向?yàn)?.443 mm，單次處理時(shí)間均在0.5 s以內(nèi)，相比較人工測(cè)量，大大提升了處理速度。

2.5 均勻性變異系數(shù)測(cè)量

為了能夠自動(dòng)計(jì)算變異系數(shù)，本文通過Python語言開發(fā)了相關(guān)軟件，并采用PyQt組件設(shè)計(jì)了GUI，方便與用戶的實(shí)時(shí)交互，軟件界面如圖8所示。

在前文精準(zhǔn)定位的基礎(chǔ)上，進(jìn)行變異系數(shù)的測(cè)量，并與人工測(cè)量進(jìn)行對(duì)比。并且在8次試驗(yàn)過程中，故意動(dòng)態(tài)改變播種電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使得變異系數(shù)存在明顯差異。進(jìn)而檢驗(yàn)本文的自動(dòng)測(cè)量結(jié)果與人工測(cè)量結(jié)果是否存在一致性。通過對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析（圖9），本文的自動(dòng)測(cè)量結(jié)果與人工測(cè)量存在明顯一致性，變異系數(shù)平均誤差為0.4%。

3 結(jié)論

1） 提出在播種均勻性檢測(cè)中，運(yùn)用黑色絨布法，讓播種機(jī)將種子播在黑色絨毛布上，降低圖像背景復(fù)雜度，且使種子既不發(fā)生彈跳也不被污染。

2） 深度相機(jī)同時(shí)采集小麥種子的圖像和實(shí)時(shí)點(diǎn)云信息，通過圖像處理算法提取種子在二維圖像中的坐標(biāo)后，再從實(shí)時(shí)環(huán)境點(diǎn)云信息中篩選出種子的三維坐標(biāo)，然后變換至初始坐標(biāo)系下并進(jìn)行水平面投影。該算法在x軸和z軸上的平均定位誤差分別為2.08 mm和2.443 mm，單次處理時(shí)間不超過0.5 s，具有較高的定位精度和測(cè)量效率。

3） 設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面，對(duì)比軟件自動(dòng)測(cè)量結(jié)果和人工測(cè)量，變異系數(shù)平均誤差為0.4%，證明所提出的播種均勻性變異系數(shù)測(cè)量方法可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量，為播種機(jī)性能自動(dòng)化鑒定奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

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