機器視覺技術及其農業應用

趙欣+王戰勝+王永勝

摘要：機器視覺是一個快速發展的計算機智能技術，其主要原理是通過采集目標物信息的物理特征對目標物進行識別、分析。作為計算機技術中的重要部分，機器視覺技術現已成為促進農業發展智能化進程中的一項關鍵技術，在我國農業生產中應用越來越廣泛。本文分析了機器視覺技術的原理、機器視覺技術在農業中應用以及機器視覺技術在農業中的未來發展方向。

關鍵詞：機器視覺技術；農業應用；智能控制

中圖分類號：G646 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）33-0273-02

一、機器視覺技術的原理

機器視覺技術是一項涉及人工智能、智能控制、神經網絡、神經生物學及圖形圖像處理學等眾多學科的綜合技術。20世紀60年代，開始出現機器視覺的概念，我國有關機器視覺的概念從20世紀80年代起步，開始主要應用于PCB印刷、組裝電路、半導體元器件制作等半導體及電子行業。

機器視覺技術通過計算機仿真模擬人類具備的視覺本能，其原理主要是利用CCD（CMOS）照相機將計算機識別到的目標進行圖像信息采集，變為計算機CPU可識別的圖像信號，然后傳送給計算機專用的圖像處理系統，根據采集目標的像素分布及物體顏色、亮度分布等，將目標物的物理信息轉變為二進制數字信號。之后計算機處理系統識別、提取計算機圖像處理系統的數字化信號，根據信號特點及之前設定輸出目標物的顏色、亮度、位置等物理特征。

二、機器視覺技術在農業中應用

機器視覺技術應用于農業生產主要以農業型機器人為載體。國家“十二五規劃”提出要全面推進我國農業生產現代化進程。隨著計算機圖形圖像處理及智能制技術的發展，機器視覺技術逐漸滲透到農業生活的方方面面。通過分析機器視覺技術在我國農業生產中的應用實例可發現機器視覺技術的研究應用主要集中在獲取目標物圖像信息、圖像處理與算法識別、智能視覺定位導航及機器視覺系統集成等方面。

（一）獲取目標物圖像方法研究

機器視覺技術的基本就是獲取目標物圖像信息，獲取的圖像信息直接會影響到機器視覺技術的判斷精度，并且采集圖像的像素直接影響到機器的處理速度。由于農業生產環境復雜多變且采集的目標物差異較大，因此機器視覺技術獲取目標物圖像信息的方法需要根據目標物及所需信息的變化而有所不同。目前對農產品信息采集的方法主要為采用CCD（CMOS）照相機或攝像機拍攝，并結合紅外光譜信息或高光譜信息進行目標物信息的采集，用來進行下一步的分析處理。利用機器視覺技術及近紅外光譜的有效結合可實現對土壤含水率的快速檢測，并能對不同地區的土壤進行成分分析，從而為不同農作物選擇更適合自身的生存環境。

（二）圖像處理與算法識別

機器視覺技術在農業自然場景中進行農作物信息提取時，由于環境光照的變化以及農作物在顏色、位置、形狀上等差異導致機器視覺識別、特征提取帶來了不小的障礙，機器視覺技術能否于農業生產中高效率、高準確率地提取到目標物的特征直接導致機器視覺系統的可靠性。因此，機器視覺系統的精確圖像處理與算法識別是機器視覺應用于農業生產的關鍵一步。有學者提出基于加速魯棒特征（Speeded up robust features，SURF）的綠色作物特征提取與圖像匹配算法，這種算法為精確獲取自然環境下農作物的各項生長參數提供了很大的參考價值。

（三）智能視覺定位導航

智能視覺定位導航是系統可自動采集農業生產自然環境特征，以此分析出機器人行走路徑所需的參數，從而控制智能機器人的導航路徑。基于機器視覺的智能視覺定位導航算法是機器視覺導航定位系統的核心，決定著導航定位的精準性。

三、機器視覺技術在農業上發展前景

根據機器視覺技術的發展現狀以及在農業中所發揮的作用，我們可以將機器視覺技術在農業中的未來發展分為以下幾個方向：

（一）研究圖像處理技術相關硬件的研發

主機的運行速度是一定的，一旦有大量的圖像信息都需要主機來進行處理，勢必會影響主機的處理速度。為了加快圖像信息的處理速度，需要應用一種可以幫助主機進行圖像處理的硬件，圖像處理采集卡正是為了解決這個問題研發而成。圖像處理采集卡不但能夠將圖像進行數字化轉化，還能夠將數字化的圖像信息分門別類，可以像主機一樣對圖像信息進行分析處理，大大提高了圖像信息的處理速度。

（二）大力推廣神經網絡技術在農業中的應用

神經網絡技術在農業中的應用主要是用于處理機器人通過視覺系統探測到的圖像，可以根據周圍環境的特征進行識別，同時能夠快速實現內部坐標與全局坐標的轉換。因此，神經網絡技術應用于農業的優勢在于提高機器人的智能開發程度，使得農業型機器人能夠更快地適應多變的周邊環境。

（三）研究出更為新型的圖像處理技術

由于農田所處的環境復雜多變，嚴重影響到農業型機器人對圖像的采集與處理，為了提高機器人對圖像信息的處理效率，必須研究出一種更為高效的圖像處理技術。在圖像處理與識別分析方面，算法是否快速是目前需要解決的重要難點，此外，算法的有效程度也是目前解決圖像處理技術不成熟的關鍵。

（四）三維成像的開發及應用

目前的機器視覺二維圖像采集方法會導致機器視覺技術判斷不精確，三維成像技術的原理類似于人眼，將機器人打造成超智能機器人，機器視覺技術與智能控制等技術的有效結合，從而使農業機器人更加智能化的完成農產品的管理、采摘、分類及包裝等日常農業活動。

四、結語

隨著機器視覺技術的日益成熟，機器視覺技術在農業生產中的應用會越來越廣泛。提高機器視覺檢測技術的可靠性以及算法的魯棒性和實時性是未來機器視覺技術的主要研究方向。機器視覺技術可在農業生長過程中節省人力物力，大大提高工作效率，因此，機器視覺技術將在我國農業現代化進程中發揮不可替代的作用。

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Machine Vision Technology and Its Application in Agriculture

ZHAO Xin1，WANG Zhan-sheng2，WANG Yong-sheng3

（1.Henan Institute of Science and Technology，Xinxiang，Henan 453003，China；

2. State Grid Xinxiang Power Supply Company，Xinxiang，Henan 453003，China；

3.Henan University of Science and Technology，Luoyang，Henan 471000，China）

Abstract：Machine vision is a rapid development of computer intelligence technology，its main principle is to collect the object information of the physical characteristics of the target object identification and analysis.As an important part of computer technology，machine vision technology has become one of the key technologies to promote the development of Agriculture，which is more and more widely used in China's agricultural production. This paper analyzes the principle of machine vision technology，the application of machine vision technology in agriculture and the future development direction of machine vision technology in agriculture.

Key words：machine vision technology；agricultural application；intelligent control