陳桂珍 龔聲蓉
摘要: 隨著計算機(jī)軟件、硬件、圖像處理技術(shù)的不斷成熟與發(fā)展,計算機(jī)視覺及模式識別技術(shù)的研究和應(yīng)用已擴(kuò)展到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域,并取得了許多重要的研究成果。本研究回顧和綜述了計算機(jī)視覺及模式識別技術(shù)在農(nóng)作物種子質(zhì)量檢測、農(nóng)產(chǎn)品分級與加工、植物生長監(jiān)測、農(nóng)作物病蟲草害的監(jiān)測與防治、農(nóng)產(chǎn)品自動化收獲等方面的應(yīng)用,并展望其發(fā)展前景,為計算機(jī)視覺及模式識別技術(shù)的進(jìn)一步應(yīng)用提供參考。
關(guān)鍵詞: 農(nóng)業(yè)生產(chǎn);計算機(jī)視覺;模式識別;應(yīng)用
中圖分類號:S126 文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A
文章編號:1002-1302(2015)08-0409-05
收 稿日期:2015-03-23
基金項目:國家自然科學(xué)基金(編號:61272258);江蘇省產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合創(chuàng)新資金(編號:BY2014059-14)。
作者簡介:陳桂珍(1964—),女,江蘇蘇州人,碩士,副教授,主要從事計算機(jī)多媒體技術(shù)、圖像處理的教學(xué)與研究。E-mail:szchen1728@163 com。
計算機(jī)視覺是研究用計算機(jī)模擬生物外顯或宏觀視覺功能的科學(xué)和技術(shù) [1],主要是指用計算機(jī)實現(xiàn)人的視覺功能。計算機(jī)視覺技術(shù)是一門包含計算機(jī)科學(xué)與工程、神經(jīng)生理學(xué)、物理學(xué)、信號處理學(xué)、認(rèn)知科學(xué)、應(yīng)用數(shù)學(xué)、統(tǒng)計學(xué)等多門學(xué)科的綜合性科學(xué)技術(shù)。計算機(jī)視覺技術(shù)起源于20世紀(jì)50年代的統(tǒng)計模式識別,但其基本研究中的諸多重要進(jìn)展卻是在20世紀(jì)80年代取得的。計算機(jī)視覺的研究歷史雖短,但該技術(shù)已在包括農(nóng)業(yè)生產(chǎn)在內(nèi)的很多應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。回顧近30年來計算機(jī)視覺及模式識別技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中的應(yīng)用,并對其發(fā)展前景進(jìn)行展望。
1 計算機(jī)視覺及模式識別技術(shù)在農(nóng)作物種子質(zhì)量檢測中的應(yīng)用[BT)]
美國等發(fā)達(dá)國家早在30年前就將計算機(jī)視覺及模式識別技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)作物種子質(zhì)量檢測,至今已取得較大進(jìn)展。1985年,Zayas等通過采集的種子圖像,利用種子表面光的特性,基于統(tǒng)計圖像的處理分析與識別技術(shù)來區(qū)分小麥品種 [2]。1986年,Gunasekaran等在對玉米籽粒裂紋的研究中發(fā)現(xiàn),運(yùn)用計算機(jī)視覺檢測技術(shù)中的高速濾波法可將裂紋與其他部位進(jìn)行識別區(qū)分,其檢測精度高達(dá)90% [3]。Zayas等結(jié)合形態(tài)學(xué)開展了相關(guān)研究,從小麥圖片中提取出相應(yīng)的形態(tài)特征參數(shù),用以區(qū)分小麥品種及非小麥的成分 [4-6]。2011年,Zapotoczny采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法對春、冬季不同質(zhì)量等級的11個小麥品種進(jìn)行試驗,使用圖像處理分析技術(shù)進(jìn)行分類鑒別的準(zhǔn)確率高達(dá)100% [7]。近十幾年來,我國科研人員對計算機(jī)視覺技術(shù)在農(nóng)作物種子質(zhì)量檢測的應(yīng)用方面作了大量研究。2004年,周紅等運(yùn)用計算機(jī)視覺技術(shù)提取玉米種子的外形輪廓,為玉米種子的進(jìn)一步分級識別提供依據(jù) [8]。2008年,萬鵬等提出利用計算機(jī)視覺系統(tǒng)代替人眼識別整粒及碎大米粒形的方法,并設(shè)計了一套基于計算機(jī)視覺技術(shù)的大米粒形識別裝置,該裝置對完整米粒、碎米的識別準(zhǔn)確率分別為98 67%、92 09% [9]。2012年,萬鵬等將計算機(jī)視覺技術(shù)運(yùn)用于魚體的檢測,研制出基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的魚體品種識別裝置,擴(kuò)展了該技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域 [10]。
2 計算機(jī)視覺及模式識別技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品分級與加工中的應(yīng)用[BT)]
近年來,隨著計算機(jī)硬件性能的不斷提高,以先進(jìn)的計算機(jī)視覺技術(shù)為基礎(chǔ),融合數(shù)字圖像處理、模式識別、信號處理、自動控制等技術(shù)的計算機(jī)視覺水果分級自動化系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用,國外已將部分成果應(yīng)用于實際生產(chǎn)中。
早在1984年,Thylor等運(yùn)用模擬攝像機(jī)和線掃描進(jìn)行蘋果自動損傷判定試驗,證明了將計算機(jī)視覺技術(shù)應(yīng)用于自動分級的可行性 [11]。在隨后幾年中,Thylor等不斷開展此方面的相應(yīng)研究,但其分級效率仍較低 [12]。1985年,Sarkar等首次將數(shù)字圖像分析與模式識別技術(shù)運(yùn)用于西紅柿的品質(zhì)分級,并取得了較好的精確度,但其速度較慢 [13]。1989年,Miller 等在桃的分級研究中,運(yùn)用圖像亮度校正和區(qū)域分割的方法,采用近紅外方式對沒有明顯邊緣損傷的圖像進(jìn)行識別,其自動分級效果達(dá)到了當(dāng)時美國農(nóng)業(yè)部的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),并得到推廣應(yīng)用 [14]。1992年,Liao等在玉米籽粒的分類中引入了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法來提高其分類的準(zhǔn)確率 [15]。1994年,Liao等對玉米粒的顏色及表面缺陷進(jìn)行實時分級研究,其分級速度仍較慢 [16]。1997年,Ni等通過圖象處理技術(shù)獲取三維信息的方法對玉米籽粒進(jìn)行分級,但該系統(tǒng)的檢測精度及用時離實際應(yīng)用仍有較大距離 [17]。1998年,Choi等將彩色圖像處理技術(shù)運(yùn)用于番茄品質(zhì)的分級,其分級效率高于人工檢測 [18]。1999年,Chtioui等以粗糙集理論作為模式分類工具,通過計算機(jī)視覺技術(shù)檢測評價蠶豆品質(zhì),其分類結(jié)果具有較好的一致度 [19]。2002年,Yun等成功研制出一種谷??焖俜旨壪到y(tǒng),每分鐘檢測200顆谷粒,其分級準(zhǔn)確率達(dá)98 9% [20]。2011年,Mathanker等發(fā)現(xiàn)使用機(jī)器學(xué)習(xí)分類器AdaBoost和支持向量機(jī)(SVM)的方法可提高核桃分級檢測的精度 [21]。2012年,Rodero等在對牛品種的分類研究中發(fā)現(xiàn),多層感知器(MLP)和支持向量機(jī)(SVM)方法具有較強(qiáng)的分類能力 [22]。Ghosh等將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)技術(shù)應(yīng)用于茶黃素(TF)含量檢測的數(shù)據(jù)分析中 [23]。Gori等基于紅外光譜和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法快速區(qū)分奶酪的生產(chǎn)季節(jié),其準(zhǔn)確率可達(dá)100% [24]。
我國將計算機(jī)視覺技術(shù)應(yīng)用于水果等的檢測分級相對較晚,但由于借鑒了其他國家的研究成果,發(fā)展速度比較快。1993年,張書慧等通過建立農(nóng)產(chǎn)品圖像專家系統(tǒng),對100個蘋果進(jìn)行質(zhì)量分級,檢測準(zhǔn)確率達(dá)96% [25]。1997年,何東健等運(yùn)用計算機(jī)視覺技術(shù)開展蘋果缺陷自動檢測,并利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行果實表面顏色分級的研究 [26-27]。2001年,張長利等通過提取番茄表面顏色特征,并運(yùn)用遺傳算法訓(xùn)練的多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)番茄成熟度的自動判別,準(zhǔn)確率達(dá)94% [28]。2002年,馮斌等利用計算機(jī)視覺和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對不同著色等級的水果進(jìn)行識別分級,平均準(zhǔn)確率達(dá)95 2% [29]。蔣煥煜等對蘋果、黃花梨、橘、橙等水果進(jìn)行了深入研究 [30];2004年,由應(yīng)義斌主持研發(fā)的水果品質(zhì)智能化實時檢測分級生產(chǎn)線正式投放市場。2005年,劉木華等提出一種基于圖像處理和支持向量機(jī)(SVM)分類的牛肉大理石花紋等級評定技術(shù) [31]。2013年,熊宇鵬等使用數(shù)字圖像技術(shù)對鳳梨花卉品質(zhì)參數(shù)進(jìn)行檢測與分級研究,檢測花蓋度的相對誤差為2 3% [32]。endprint
在農(nóng)產(chǎn)品的加工應(yīng)用中,Ling等于1991年開始研究鮮蝦圖像的形態(tài)學(xué)特征和頻譜特征,發(fā)現(xiàn)根據(jù)頻譜特征確定下刀位置較為有效,為鮮蝦去頭加工的自動化提供了可靠依據(jù) [33]。1995年,Moconnell等利用計算機(jī)視覺技術(shù)對顏色的識別來控制烘烤食品的質(zhì)量,并取得了較好效果 [34]。Seida等對機(jī)器視覺技術(shù)運(yùn)用于飲料容器質(zhì)量檢測的可行性進(jìn)行了研究 [35]。Jia等提出將圖像處理算法應(yīng)用于鰭類魚的加工 [36]。1998年,Tao等運(yùn)用計算機(jī)視覺技術(shù)進(jìn)行雞肉中骨頭碎片及污染物的無損快速檢測,并研制出相關(guān)設(shè)備 [37]。Li等運(yùn)用計算機(jī)算法和視覺技術(shù)成功開發(fā)出一套用于蛋殼微裂紋識別的機(jī)器視覺系統(tǒng),其檢測準(zhǔn)確率達(dá)100% [38]。
3 計算機(jī)視覺及模式識別技術(shù)在植物生長監(jiān)測中的應(yīng)用
計算機(jī)視覺技術(shù)能夠比人眼視覺更早發(fā)現(xiàn)植物因營養(yǎng)不良而表現(xiàn)出的細(xì)微變化,為及時灌溉和補(bǔ)充營養(yǎng)提供可靠依據(jù)。Mayer等利用數(shù)字圖像分析了多種作物的葉面積、莖稈直徑、葉柄夾角,主要采用三角形逼近的方法測量植物葉片的面積,并達(dá)到很好的效果 [39]。Trooien等提出了采用數(shù)字圖像處理技術(shù)無損檢測馬鈴薯葉冠面積的理論,并成功建立模型,其檢測結(jié)果與葉面積儀的測量結(jié)果基本相同 [40]。楊勁峰等通過平臺掃描儀獲取葉片的數(shù)字圖像,建立了以數(shù)字圖像處理技術(shù)測定蔬菜葉面積的方法,該方法被廣泛推廣使用 [41]。張仁祖等提出一種使用圖像處理技術(shù)測量作物葉面積的新方法,并獲得了滿意的測量精度 [42]。
1995年,Shinizu等利用機(jī)器視覺和近紅外光連續(xù)采集植株圖像,成功分析得出其白晝的生長率 [43]。1996年,Casady等利用數(shù)字圖像處理技術(shù)獲得了水稻植株的高度等形態(tài)特征信息,使利用計算機(jī)視覺獲得植株高度成為可能 [44]。2001年,耿楠等通過建立計算機(jī)視覺系統(tǒng)檢測小麥的生長信息 [45]。2002年,李少昆等成功研制“小麥高產(chǎn)群體圖像智能識別多媒體專家系統(tǒng)”,該系統(tǒng)運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對小麥群體圖像進(jìn)行快速識別和預(yù)測;李少昆等還將圖像處理技術(shù)用于小麥、大麥、玉米等大田作物株型信息的提取和生長監(jiān)測 [46]。另有學(xué)者利用圖像處理技術(shù)獲得麥芒的形態(tài)參數(shù),從而對小麥生長狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測 [47],此方法不僅可檢測設(shè)施內(nèi)植物的葉面積、莖稈直徑、葉柄夾角等外部生長參數(shù),還可根據(jù)果實表面顏色判別其成熟度、缺水、缺肥等情況。
利用計算機(jī)視覺技術(shù)進(jìn)行作物營養(yǎng)脅迫診斷的研究較多。1992年,Segineer等研究發(fā)現(xiàn)可將計算機(jī)視覺技術(shù)運(yùn)用于植物葉片的生長監(jiān)測,從而為自動灌溉系統(tǒng)服務(wù)。1996年,Singh等利用圖像分析技術(shù)判斷水稻中期的生長情況,并建立了根據(jù)水稻中期生長情況及施肥量預(yù)測產(chǎn)量的數(shù)學(xué)模型 [48]。Ahmad等利用圖像的彩色模型識別評價玉米葉片在缺水和缺氮狀態(tài)下的顏色變化,試驗獲得了較滿意的結(jié)果 [49]。徐貴力等研究發(fā)現(xiàn)通過百分率直方圖法提取缺素葉片圖像的顏色特征,能較好地識別缺素番茄葉片,準(zhǔn)確率在70%以上 [50]。張偉等從顏色和紋理兩方面運(yùn)用計算機(jī)視覺技術(shù)對作物缺素進(jìn)行識別,取得了較滿意的研究成果 [51]。
4 計算機(jī)視覺及模式識別技術(shù)在農(nóng)作物病蟲草害的監(jiān)測與防治中的應(yīng)用[BT)]
研究大田作物病蟲草害的自動識別與測定技術(shù),建成自動化控制系統(tǒng)以防治田間雜草與病蟲害,也是計算機(jī)視覺技術(shù)在作物生產(chǎn)中較為重要的應(yīng)用研究領(lǐng)域,而利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)技術(shù)識別田間雜草是一個重要的應(yīng)用方向,國內(nèi)外學(xué)者在此方面已作了大量研究工作。1995年,Woebbecke等研究發(fā)現(xiàn)葉片的形態(tài)學(xué)特征可用于識別雙子葉與單子葉植物,準(zhǔn)確率在60%~80% [52];此外還研究發(fā)現(xiàn),彩色圖像的2R-G-B特征能很好地區(qū)分非植物與植物的背景,從而將其運(yùn)用于田間雜草的探測控制 [53]。Zhang等提出同時使用形狀和顏色分析識別小麥田間雜草的方法 [54]。1997年,Giles等研制出一種裝有機(jī)器視覺導(dǎo)向系統(tǒng)的噴霧裝置,能對成行作物實施精量噴霧,該系統(tǒng)不僅節(jié)約農(nóng)藥,提高施藥效率,還可大大減少對環(huán)境的污染 [55]?;跈C(jī)器視覺的雜草識別技術(shù)在國外已經(jīng)進(jìn)入實用階段。1999年,Lee等研制出由計算機(jī)視覺系統(tǒng)、精準(zhǔn)噴施系統(tǒng)等構(gòu)成的智能雜草控制系統(tǒng),該系統(tǒng)可根據(jù)植物形狀特征的差異識別作物和雜草,并確定雜草的位置以進(jìn)行精準(zhǔn)噴施 [56]。Burks等利用彩色共生矩陣法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對土壤和5種雜草進(jìn)行識別研究,分類準(zhǔn)確率達(dá)93% [57-58]。2001年,陳佳娟等利用圖像分割、邊緣檢測等計算機(jī)視覺技術(shù)測定棉花蟲害的受害程度,誤差小于005 [59]。2004年,E1-Helly等研發(fā)了一種利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類的綜合圖像處理系統(tǒng),能較好地識別黃瓜白粉病、霜霉病等病害 [60]。
2004年,毛文華對水稻田間的雜草進(jìn)行在線識別研究,以形狀分析法獲得雜草信息,進(jìn)而確定雜草的位置 [61]。2006年,田有文等根據(jù)彩色紋理圖像的特點對日光溫室黃瓜進(jìn)行研究,采用色度矩和支持向量機(jī)的方法識別黃瓜病害,取得了很好的效果 [62]。2007年,李崢嶸等以小麥害蟲圖像為研究對象,開發(fā)出基于內(nèi)容的害蟲圖像檢索系統(tǒng),該系統(tǒng)具有一定實用性,為快速準(zhǔn)確地診斷與識別農(nóng)作物害蟲提供了技術(shù)支持 [63]。2007年,Sammany等在植物病害識別的研究中發(fā)現(xiàn),同時使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和支持向量方法可大幅提高分類效率 [64]。2012年,王樹文等綜合運(yùn)用圖像處理技術(shù)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)黃瓜葉部病害的檢測,平均識別精度可達(dá)95 31% [65]。Arribas等采用計算機(jī)視覺技術(shù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法開發(fā)出一套向日葵葉片圖像自動分類系統(tǒng),用于選擇性除草劑的應(yīng)用,并達(dá)到了高精確度水平 [66]。Midtiby等開發(fā)出一套基于計算機(jī)視覺技術(shù)的智能實時微型雜草噴霧控制系統(tǒng),該系統(tǒng)在實時性及智能化方面均有較大提高,可快捷、準(zhǔn)確、及時地進(jìn)行雜草識別和除草劑的噴灑 [67]。endprint
5 計算機(jī)視覺及模式識別技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品自動化收獲中的應(yīng)用[BT)]
計算機(jī)視覺技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品自動化收獲方面的應(yīng)用,是目前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中最為熱門的研究方向之一,果蔬采摘機(jī)器人正成為機(jī)器人研究的新興領(lǐng)域,科研人員作了大量研究,已有部分成果被應(yīng)用于實際生產(chǎn)中,具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>
1989年,Slaughter等開始研究利用顏色特征識別橘子的分類模型,為柑橘收獲機(jī)械手作了導(dǎo)向 [68]。1991年,日本Kubota公司成功研制出用于橘子采摘機(jī)器人的機(jī)械手 [69]。1995年,周云山等將計算機(jī)視覺技術(shù)應(yīng)用于蘑菇識別,使蘑菇生產(chǎn)從苗床管理到收獲分類的全過程基本實現(xiàn)自動化,但離實際推廣應(yīng)用仍有一定距離 [70]。1996年,近藤等研制出采用雙目視覺方法定位果實的番茄采摘機(jī)器人,能準(zhǔn)確識別果實與樹葉,而當(dāng)可采摘番茄被莖葉遮擋時,機(jī)械手難以避開莖葉等障礙物完成采摘 [71]。1997年,德田勝等研制出一套運(yùn)用機(jī)器視覺技術(shù)檢測西瓜成熟度的機(jī)器視覺系統(tǒng),用于控制采摘機(jī)器人適時自動采摘西瓜 [72]。2000年,荷蘭農(nóng)業(yè)環(huán)境工程研究所研制出移動式黃瓜采摘機(jī)器人樣機(jī),在實驗室和溫室中的采摘試驗效果良好 [73]。2001年,劉成良等研制出一套應(yīng)用于瓜果秧苗嫁接的機(jī)器人視覺系統(tǒng),該系統(tǒng)能判別秧苗的方向和品質(zhì),使機(jī)器人在保證質(zhì)量的情況下實現(xiàn)全自動化嫁接成為可能 [74]。陳利兵等對草莓、黃瓜、番茄、茄子等果蔬采摘機(jī)器人作了深入研究,并研制出試驗樣機(jī) [75]。2011年,張凱良等研制出草莓實時自動采摘系統(tǒng),但其采摘速度、精度等仍有待提高 [76]。
[BT(1+1][STHZ]6 計算機(jī)視覺及模式識別技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域其他方面的應(yīng)用[BT)]
計算機(jī)視覺技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的其他方面也有應(yīng)用。1992年,Das等將機(jī)器視覺技術(shù)用于雞蛋孵化過程中死胚蛋、壞蛋的早期檢測,以提高孵出雛率,孵化第3天的檢測準(zhǔn)確率為88%~90%,孵化第4天的準(zhǔn)確率高達(dá)100% [77]。1997年,Tao等成功研制出結(jié)合計算機(jī)視覺技術(shù)的雛雞性別自動識別裝置 [78]。Cockx等利用傳感器和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)預(yù)測土壤表層的黏土含量 [79]。Rasouli等在加拿大使用機(jī)器學(xué)習(xí)方法進(jìn)行水文氣象觀測研究,為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供可靠數(shù)據(jù) [80]。Nuthall利用計算機(jī)視覺技術(shù)建立了放牧管理專家系統(tǒng),該系統(tǒng)充分考慮到個體差異性,針對性較強(qiáng),能夠較好地應(yīng)用于實際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中 [81]。
7 結(jié)語
計算機(jī)視覺最初被看作人工智能的分支之一,其發(fā)展十分迅速,現(xiàn)已成為一個活躍的研究領(lǐng)域,是近十幾年來計算機(jī)科學(xué)中最熱門的研究方向之一。計算機(jī)視覺是一門通過圖像或視頻處理,使計算機(jī)具備“看”能力的計算機(jī)學(xué)科 [82],相當(dāng)于給計算機(jī)安裝上眼睛(照相機(jī)或攝像機(jī))和大腦(算法),讓其能夠感知環(huán)境。在計算機(jī)視覺領(lǐng)域幾十年的發(fā)展歷程中,計算機(jī)視覺及模式識別技術(shù)早己從實驗室的理論研究層面延伸并發(fā)展到實際應(yīng)用中。隨著我國對計算機(jī)視覺研究的重視,及國際間交流與合作的深入,使計算機(jī)視覺的研究水平不斷提升,相關(guān)研究逐漸與國際接軌。目前,計算機(jī)視覺技術(shù)在我國的智能交通、醫(yī)學(xué)圖像、工業(yè)及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等方面已有較多應(yīng)用。隨著計算機(jī)軟件、硬件的智能化,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、人工智能等學(xué)科的飛速發(fā)展,大數(shù)據(jù)和深度學(xué)習(xí)的興起,視覺與機(jī)器學(xué)習(xí)的交叉融合,學(xué)術(shù)界與工業(yè)界的相互合作,以及計算機(jī)信息處理技術(shù)的進(jìn)一步綜合集成,相信計算機(jī)視覺及模式識別技術(shù)將為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域開辟出新的空間。
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