葡萄果實定位方法的實驗研究*

賈艷婷，馬本學，王運祥，楊 杰，王 靜，周 強

（1.石河子大學機械電氣工程學院，新疆 石河子 832000；2.新疆兵團農業機械重點實驗室）

葡萄果實定位方法的實驗研究*

賈艷婷1，2，馬本學1，2，王運祥1，2，楊 杰1，2，王 靜1，2，周 強1

（1.石河子大學機械電氣工程學院，新疆 石河子 832000；2.新疆兵團農業機械重點實驗室）

準確的定位是實現果蔬自動化采摘的前提，本文以新疆特色葡萄為對象，利用自行設計搭建的葡萄定位雙目立體視覺系統實驗平臺進行田間實驗，當雙目攝像機與葡萄的距離為400～950 mm時，誤差分布范圍為0.15～11.50 mm。通過該項實驗進行研究，以期為葡萄自動化采摘精確定位奠定基礎。

自動化；葡萄；定位；誤差

我國葡萄產業發展迅速，2013年葡萄總產量高達1 055萬t，其中新疆葡萄總產量占全國總產量19.8%，成為我國葡萄產量最大的省區[1]。由于葡萄采摘作業繁瑣，地區機械化落后，采摘作業的自動化程度不高，多年來新疆葡萄采摘基本上都是手工進行。待到金秋9月葡萄成熟時節，大量外來務工人員匯聚新疆采摘葡萄，采摘勞動強度大、果實收獲季節性強、效率低。廣大果樹種植戶開始期盼能實現水果自動化智能化采摘，降低勞動強度，減少支出費用以增加收益。

農產品收獲機械從研發至今已廣泛使用[2]，實現了機械化自動化采收，逐步取代人力，減輕了人們田間繁重的勞作。近年來，學者針對蘋果[3]、番茄[4]、草莓[5]等果蔬采摘機器人已進行深入的研究。本文針對自然場景中的新疆特色葡萄，通過葡萄定位雙目立體視覺系統實驗平臺進行定位試驗，以為實現田間葡萄精確定位奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 研究對象及條件

新疆葡萄收獲旺季是每年8～10月份，本實驗以自然場景中的新疆特色葡萄品種維多利亞為研究對象，于2014年8月在新疆石河子市葡萄研究所試驗田中進行實驗。試驗條件如下：天氣晴朗，太陽直射溫度39℃，地表濕度40%，順光條件下葡萄表面平均光照強度為660 Lux，逆光條件下為202 Lux。

1.1.2 實驗平臺

為了便于進行田間葡萄定位的研究實驗，自行設計并搭建了葡萄定位雙目立體視覺系統實驗平臺（如圖 1所示）。 選用維視數字圖像公司 2臺IEEE1394a接口型號為MV-VS078FC的攝像機，配以MV-E1394PCI-E1394獨立雙通道數字采集卡，數據可高速傳輸至計算機。激光測距儀為GHLM-07B動態激光測距傳感器。軟件環境為CCAS雙目測量測試開發平臺。

圖1 葡萄定位雙目立體視覺系統實驗平臺

1.2 方法

1.2.1 標定

雙目攝像機標定利用CCAS雙目測量測試開發平臺的張正友平板標定法進行標定，標定板選用鋁合金材料的AFT-CT430高精度雙目視覺標定板。標定時將標定板整體垂直置于視角范圍內，將旋轉角度控制在20°左右，分別以X軸向上向下、以Y軸向左向右旋轉標定板，通過自動檢測標定板上每個特征圓的圓心，校正標定圖像并通過計算獲取左右攝像機內外參數。雙目相機五對標定圖像如圖2所示。

表1 雙目相機內外部參數

表2 葡萄定位試驗結果

圖2 雙目相機標定圖像

雙目相機內外部參數如表1所示，其中左右相機在u軸和v軸的有效焦距分別為fx，fy，不垂直因子均為0。

1.2.2 葡萄定位田間試驗

本文針對自然場景中的葡萄，利用自行設計的葡萄定位雙目立體視覺系統實驗平臺進行田間葡萄定位實驗。實驗以不同高度、不同角度并貼以標定點的葡萄串為對象，通過調整攝像機與葡萄果實之間的實際距離檢測葡萄串上的標定點，進而獲得標定點的空間三維坐標。

圖3 雙目攝像機采集圖像

根據實驗需求分別設計直徑為5 mm、8 mm的圓形標定點進行實驗，利用CCAS雙目測量測試開發平臺開啟雙目攝像機，根據場景觀測視角通過調節支撐雙目攝像機的云臺及滑桿進一步調整攝像機安裝位置，并使用標定板標定相機，獲取同一場景中左右攝像機的2幅圖像（如圖3所示）。通過雙目檢測獲取圖像中葡萄果實上標定點的信息，并將檢測的標定點在左右2幅圖像中的成像位置進行立體匹配，最終通過雙目測量計算標定點的二維像素坐標、空間三維坐標及2個標定點之間的距離。

圖4 葡萄定位誤差分布

2 結果與分析

實驗利用葡萄定位雙目立體視覺系統實驗平臺對自然場景中不同生長位置的葡萄串進行定位，同時利用卷尺、激光測距儀分別測量待檢測葡萄串與攝像機之間的實際距離，提供對比數據，測量范圍為400～950 mm，每隔50 mm進行1組實驗，試驗結果其中1組數據如表2所示，表中左右圖像中標定點坐標為通過雙目檢測獲取的左右2幅圖像中同一標定點的像素坐標，標定點三維坐標中Z為深度信息，即葡萄串與攝像機實際距離。

通過統計60組葡萄定位實驗，分析數據，繪制距離誤差分布圖（如圖4所示），當葡萄果實與攝像機實際距離在400～650 mm時誤差分布較均勻，誤差平均值為3.09 mm。該葡萄定位雙目立體視覺系統實驗平臺在實驗距離范圍內定位時產生最大誤差為11.5 mm，平均誤差為4.56 mm，定位結果存在的誤差隨著距離的增大而逐漸增大。誤差產生的主要原因有：（1）雙目攝像機標定過程中產生的誤差，如標定板精度、標定板旋轉角度及左右攝像機安裝位置等因素；（2）田間環境中外界因素對葡萄定位雙目立體視覺系統實驗平臺穩定性的影響；（3）利用卷尺及激光測距儀測定實際距離時存在的誤差。

3 小結

本文將雙目立體視覺技術應用于田間實驗中，利用搭建的葡萄定位雙目立體視覺系統實驗平臺進行了葡萄定位的初步研究。在對雙目攝像機標定的基礎上采集左右相機圖像，經過雙目檢測、立體匹配、雙目測量獲取標定點的像素坐標及空間三維坐標信息。實驗結果表明，雙目攝像機與葡萄的距離為400～950 mm時，誤差分布為0.15～11.50 mm，該誤差滿足葡萄自動化采摘對精度的要求。葡萄定位雙目立體視覺系統實驗平臺不僅可以測定空間距離，并且可以測量待測目標的長度特性，為后續葡萄采摘機器人視覺系統的研究奠定基礎。

[1]中華人民共和國國家統計局.2014中國統計年鑒[M].北京∶中國統計出版社，2014.

[2]張鐵中，楊麗，陳兵旗，等.農業機器人技術研究進展[J].中國科學，2010（40）：71-87.

[3]王輝，毛文華，劉剛，等.基于視覺組合的蘋果作業機器人識別與定位[J].農業機械學報，2012，12（43）：165-170.

[4]鄭小東，趙杰文，劉木華.基于雙目立體視覺的番茄識別與定位技術[J].計算機工程，2004，30（22）：155-156.

[5]張鐵中，陳利兵，宋健.草莓采摘機器人的研究：Ⅱ.基于圖像的草莓重心位置和采摘點的確定 [J].中國農業大學學報，2005（1）：48-51.

2015—03—13

大學生創新創業訓練計劃項目，項目編號：201410759037。