基于机器视觉的农田机械导航线提取算法研究_刁智华

{
内部参数。
u － u0 = fs x x / z = f x x / z v － v0 = fs y y / z = f y y / z
（4）
f x = fs x 和 f y = fs y 分别定义为 X 和 Y 方向的 其中， fy 、 u0 、 v0 是只与摄像机内部结构有关的 等效焦距。f x 、
2． 2． 2
图像分割
Otsu 是经典的图像分割算法 ， 计算 简 单 ， 不受图 像亮度等信息干扰 ， 自动化程度较高 。 阈值法也是常 用的图像分割方法 ， 计算简单 ， 速度更快 。 由于前期 灰度化效果比较好 ， 本文中两种方法处理效果相当 。 图 3 （ a ） 和图 3 （ b ） 分别为 Otsu 算法和阈值法对灰度 图像的二值化结果 ， 它们均能清晰地将目标和背景区 分开来 ， 并且受噪声影响都很小 。 但是 ， 在处理速度 方面 ， 采用阈值法明显优于 Otsu 算法 ， 因此本文采用 阈值 205 灰度化算法 。
已成为农业现代化 、 信息化的一个趋势 。 自动导航是 精细农业的关键技术 ， 常用的自动导航 技 术 有 GPS 、 多传感器融合及机器视觉等 。 机器视觉由于其在价 格、 抗干扰性等方面的优势 ， 成为近年来导航技术研 究的热点 。 国内外专家学者就农田机械导航技术进 行深入研究 。 欧美国家起步较早 ， 瑞典专家 Bjprn Astrand 等提出的基于 Hough 变换的强鲁棒性作物行识 别的导航算法 ， 通过融合多垄信息有效克服杂草噪声 影响 ， 但是只能处理规则平直的作物行 。 比利时学者 V． Leemans 等比较了基于机器视觉的两种不同导航算 法 ：第 1 个实验中用 Hough 变换结合递归滤波器获得 了较好的结果 ； 第 2 个实验中 ， 获取的图像包括一些 并列的行 ， 考虑到行距等先验知识 ， 提出一种改进的 Hough 变换算法 ， 其检测种子行的真实性和精确度都 更优 。 国内 学 者 近 年 来 也 取 得 了 显 著 的 研 究 成 果 。 中国农业大学的李茗萱 、 张漫等人针对基于机器视觉
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2015 年 2 月
农 机 化 研 究
第2 期
图3
二值化算法
2． 2． 3
导航线提取
从图 3 （ b ） 处理结果可以看出明显的作物行形态 特征 。 由于农作物的非结构化特性 ， 行间仍有许多小 噪声 ， 作物行上也有少许小孔噪声 。 但是这些噪声相 对于作物行面积较小 ， 可以采用形态学算法滤除 。 为 了不改变和消除作物行有用信息 ， 形态学处理所用模 板一定要合适 。 本文采用 3 × 3 正方形模板对二值化 图像进行操作 ， 通过实验确定了腐蚀 、 膨胀以及开闭 运算的结构 、 运算顺序及运算次数 （ 见图 4 （ a ） ） ， 得到 了连续且无噪的作物行目标 。 导航线提取只需要线 性信息 ， 形态学处理的结果仍含有加多冗余信息 。 为 了实现导航的快速性和准确性 ， 对图 4 （ a ） 进一步进 行细化操作 ， 结果如图 4 （ b ） 所示 。 在田间导航研究中 ， 有许多研究者提取了所有作 物行信息 。 本文在考虑导航信息量和准确性的前提
收稿日期 ： 2014 － 02 － 26 基金项目 ： 国 家 农 业 智 能 装 备 工 程 技 术 研 究 中 心 开 放 基 金 项 目 （ KFZN2012W12 － 012 ） ； 河南省科技厅重点科技攻关项目 （ 132102110150 ） ； 郑 州 市 科 技 局 项 目 （ 131PPTGG411 － 13 ） ；郑州轻工业学院校内骨干教师计划项目（ 2013 ） （E － 作者简介 ： 刁智 华 （ 1982 － ） ， 男， 河 南 夏 邑 人， 副 教 授， 博 士， mail ） diaozhua@ 163． com 。 （ E － mail ） 女， 河南洛阳人， 硕士研究生， 通讯作者 ： 王会丹（ 1987 － ） ， wanghuidan0@ 126． com 。
1
1． 1
图像采集设备和系统标定原理
图像采集设备及材料 本研究采用的图像采集设备为陕西维视图 像 的
MV － VD030SC 型号的工业相机和 AFT － 0814MP 镜 头， 采集图像大小为 640 × 480 像素 ， 可设置图像为彩 色和灰度多种模式 。 用于图像处理的计算机为 Intel （ Ｒ ） Core （ TM ） i3 ， 主 频 3． 1GHZ ， 内 存 为 2G ； 用 Microsoft Visual C + + 6． 0 进行算法研究和优化 。
（5）
2
2． 1
图像的处理和导航线的提取
算法原理 农田行栽作物多呈现出明显的垄沟现象 ， 绿色农
作物与土壤背景有较明显的差异 。 基于颜色特征的 目标提取算法能有效利用彩色图像有效信息 ， 采用过 绿色算法可以在初步区分目标和背景图像的同时简 化图像数据量 ， 有利于进一步处理 。 对于灰度图像 ， 基于灰度值特征进行二值化处理 ， 更加清晰地提取作 物行信息 ；然后通过一系列形态学算法从二值图像中 提取出真正的有效作物行导航线 ， 并对导航线进行矫
[0
Ｒ
T
]
2 ） 图像坐标系与摄像机坐标系之间变换关系为
{
X = fx / z Y = fy / z
（2）
3 ） 将式（ 2 ） 物理坐标系转换为图像坐标系， 则有
பைடு நூலகம்
{
u － u0 = X / d x = s x X v － v0 = Y / d y = s y Y
（3）
u0 ， v0 是图像中心坐标； d x ， d y 分别是像素在 其中， X， Y 方向上的物理尺寸； s x = 1 / d x ， s y = 1 / d y 分别为 X 与 Y 方向上的采样频率， 即单位长度像素。 因此， 可得物点 p 与图像像素坐标中点 p t 的变换 关系为
Yw ， Zw ） ， 摄像机 机器视觉中包括世界坐标系 （ X w ， Y 轴分 坐标系（ xoy） 和图像坐标系（ 图像物理坐标系 X 、 别平行于摄像机坐标系的 x 和 y 轴， 图像像素坐标系 X f Y f 平行于物理坐标系， 原点在图像左上角， 以像素为 单位。 1 ） 世界坐标与摄像机坐标之间的转换关系为 x y = z 1 x w r11 T y w r21 = 1 z w r31 1 0 r12 r22 r32 0 r13 r23 r33 0 r14 x w r24 y w r34 zw 1 1
图2 麦田处理图像
下， 提取最重要的中间两行作物作为导航参照 ， 因为 相机安装于作业机械的中间部位 ， 正常行走所拍摄的 图像也是对称的 。 如果出现偏差 ， 中间两行作物的位 置会有更明显的变化 。 主作物行提取结果如图 4 （ c ） 所示 。 在此对作物行进行直线拟合 ， 基于主作物行本 Hough 变换参 文采用改进的 Hough 变换算法 。 其中 ， 数 θ 空间的范围不再采用 0° ～ 180° ， 而是采用缩小的 计算范围 45° ～ 135° ， 减小了其计算量 ， 但却保证了精 度， 如图 4 （ d ） 所示 。 由于摄像机拍摄是有一定倾角 的， 所以农田中平行作物行在图像中会有一定倾斜 ， 对其进行矫正如图 4 （ e ） 所示 。
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2015 年 2 月 1． 2 机器视觉系统的标定
农 机 化 研 究
第2 期
4 ） 最后可得世界坐标与图像坐标的变化关系为
机器视觉技术作为一门综合性技术 ， 主要是通过 摄像机将世界坐标系中的事物转换到图像坐标中 ， 通 过标定明确它们的位置关系 ， 再通过对图像的适当处 理得到需要的信息并反馈到对世界坐标中物体的处 理方法中 。 摄像机标定中常用坐标系如图 1 所示 。
{
u － u0 r11 x w + r12 y w + r13 z w + t x X = = f fx r31 x w + r32 y w + r33 z w + t z v － v0 r21 x w + r22 y w + r23 z w + t y Y = = f fy r31 x w + r32 y w + r33 z w + t z
业的 关 键 技 术 之 一 ， 也是实施精准农业的基 础。机 器 视 觉 由 于 其 广 泛 实 用 性， 已成为农田机械导航线提取的重 要方法。目前， 机器视觉自动导航线提取易受自然环境干扰， 且在实时处理速度上有待提高。为此， 研究了一种 导航 线 提 取 算 法 ， 旨在简化图像处理， 提 高 通 用 性 。 首 先 对 CCD 获 取 的 彩 色 农 田 图 像 ， 使用改进的过绿色算法进 行灰度化， 得 到 目 标 区 分 较 好 的 图 像 ；然 后 使 用 改 进 的 OTSU 算 法 对 图 像 进 行 分 割 ， 得到二值图像， 再采用滤波、 腐蚀 、 膨 胀 相 结 合 的 算 法 去 除 图 像 噪 声 ；最 后 提 取 作 物 行 骨 架 ， 拟合作物行直线并进行方向校正， 计算相机偏差， 为实时校正航向提供反馈信息。试验结果表明， 该 算 法 处 理 一 幅 图 像 所 用 时 间 在 200 ms 左 右 ， 可满足农田机械 实时导航的要求。 关键词： 农田机械； 导航； 机器视觉； 作物行提取 中图分类号： TP391． 41 文献标识码： A 文章编号： 1003 － 188X（ 2015 ） 02 － 0035 － 05
2015 年 2 月
农 机 化 研 究
第2 期
基于机器视觉的农田机械导航线提取算法研究
刁智华 ， 王会丹 ， 宋寅卯
（ 郑州轻工业学院 电气信息工程学院，郑州 摘 450002 ）
要： 随 着 科 学 技 术 的 发 展 ， 精细农业已成为现代农业发展的主导方向。农 业 机 械 的 自 动 导 航 技 术 是 精 细 农
图1 摄像机标定中常用坐标系
正 ；最后 ， 把可靠的导航信息反馈给机械系统 ， 真正实 现实时导航的目的 。 2． 2 2． 2． 1 图像处理和导航线提取 灰度化 相对于灰度图像 ， 彩色图像包含更 多 有 用 信 息 ， 本文采集图像 为 256 色 ＲGB 麦 田 图 像 如 图 2 （ a ） 所 示 。 为了增加后期图像处理速度 ， 首先将其灰度化 ， 但是要充 分 提 取 作 物 行 信 息 。 从 图 2 （ a ） 中 可 以 看 （1） 出， 小麦行与田地之间有明显的区分 ， 作物行的绿色 特征非常明显 ， 而土壤呈红褐色 。 图 2 （ b ） 为普通的 灰度化处理 ， 显然效果不理想 ， 原图中清晰的作物行 变得模糊 ， 所以不可取 。 考虑到作物和田地的颜色特 征采用经典的超绿算法对其进行灰度化 ， 如图 2 （ c ） 所示 。 尽管处理结果能较清晰地区分目标和背景 ， 但 效果不是 最 优 的 。 经 过 实 验 分 析 ， 考虑色彩空间的 Ｒ、 G、 B 分 量 组 成 情 况， 本文采用改进的超绿因子 （ 1． 8G － Ｒ － 0． 8B ） 对彩色图像进行灰度化 。 实验证 明， 其效果明显好于普通的灰度化算法 ， 较好的区分 度和较少的噪声为后续处理提供很大优势 。
DOI:10.13427/j.cnki.njyi.2015.02.010
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引言
精细农业具有资源消耗少 、 环境污染小等优点 ，
的自动导航系统现有导航线提取算法易受外界环境 干扰和处理速度较慢等问题 ， 提出一种基于图像扫描 滤波的导航线提取方法 。 该方法是在传统多种图像 处理算法的基础上结合图像扫描滤波的方法来提高 导航线提取算法的速度和适应性 。 内蒙古大学的张 志斌等提出一种基于平均垄间距的视觉导航垄线识 别算法 ， 对经过灰度二值化处理的图像进行基于垄间 距一致性特点提取行 ， 基于垄列向的连续性提取列 。 单垄和多垄沟图像的处理实验证明了其算法的实时 性和准确性 。 由于农田环境的非结构化特性 ， 目前的农田视觉 导航系统还不够成熟 ， 许多理论上可行的方案在应用 于大田环境时适应性和精度都不是十分理想 。 无序 以及不规则杂草 、 光照强度等的影响使得实时导航难 度更大 。 为此 ， 本文提出了一种基于机器视觉的快速 高效作物行提取算法 ， 从而为农田机械提供可靠的导 航线 。