图像处理技术在农机测试中的应用

李卓洢 ， 李彦君 ， 朱旭光

（1.江苏大学汽车与交通工程学院，江苏 镇江 212013；2.重庆邮电大学先进制造工程学院，重庆 400065；3.江苏大学电气信息工程学院，江苏 镇江 212013）

大量实践证明，图像处理技术在农机测试中会发挥良好的测试标准，降低测试人员的检测难度，优化并提高使用人员的操作便捷性。目前，图像处理技术的应用实例较多，从技术优势以及其在农业测试中的前景分析，图像处理技术的应用前景极为广阔，具有很高的经济效益。

1 图像处理技术的构成

图像处理技术通过计算机模拟人类视觉，对于被测物体拍摄相关的图像信号，并将其转化为可视化的数据值，实现建模分析。以计算机模拟的标准为基础，对拍摄的物体实现重现，便于理解[1]。在其图像构成原理中，以红、绿、蓝三色灰度值为核心[2]。其中，红代表字母“r”，绿代表字母“g”，蓝代表字母“b”。以数字组合的形式，实现图像色彩的还原、分析、输出。此外，与以往相比，现有的图像处理技术还可以消除图像中的劣化因素，明显改善图片质量，完成图像一体化的转换。在分析指定图像时，可以提取图像中的特定信息，实现图像精准描述[3]。例如，图像处理系统主要由光源、高速摄像机等部分组成。在组成的信号模拟中，以信号值之间的代表符号实现分析。可以通过计算机的宏命令运行，例如光源通过宏命令以数据传输的方式，对高速摄像机的图像进行采集[4]。借助图像采集卡的优异性，实现计算机图像的输出、模型建设。采集图像需要有重要的原件，即高速摄像机的拍摄角度、连续张数、图像质量。高速摄像机包含了CCD阵列摄像机以及CMOS摄像机。CCD摄像机本质意义为电偶合器件、光传感器[5]。各像素点都有一个光传感器，便于图像采集。将被检测对象的信号值记录，随后通过内部采集卡，可以实现电视信号的转换。而CMOS技术与CCD技术相比，更具优势。目前，我国部分领域已完全使用CMOS技术，取代传统CCD技术[6]。CMOS技术的图像传感器能够更好地完成光敏单元排列，并按照预先处理标准，对图像实现集成。此外，对于A/D电路高度集成在一块芯片上，可以直接完成数字图像的获取。事实证明，其得到的图像受客观因素影响，并不能满足即拍即用的要求，还需要进行额外的特殊化处理。

2 图像处理技术的执行标准

图像处理技术有自身独特的执行标准，通过传输，可以保证图像再现。且在转化过程中，不会因图像的储存、传输和复制出现质量退化。只有保障图像传输过程中准确地实现原图重建，才能够发挥图像处理技术的精准性、合理性、有效性。例如，图像处理技术要实现高精度，就可以通过现代化扫描仪，对被测图像的像素点灰度值进行转化。可以设置为16度灰度值，所有计算机可以将模拟图像转化为任意大小的二维数字组。数字精度要达到任意要求，在数字组的大小以及各像素的位置上，处理环节要保证一致性。因此，从理论的经验以及处理的最终标准来看，都需要在处理过程中改变程序中的数据参数，既可以完成图像精准获取，又可以实现高自定义安排[7]。

3 图像处理技术在农机测试中的体现

3.1 土壤耕作机械

土壤耕作机械的功能是对已确定的土壤区域完成翻耕、松土。耕机是农业的主要机械，发挥重要的生产、种植作用。因此，在其测试设计过程中，性能指标以及动力参数、动态设置、定量分析等是核心。通过分析土壤工作机械的力学性能以及结构配比，可以了解二者之间的参数比例值。但常用的检测手段精度较低，无法更好地实现抛土粒的测试[8]。为了更好地解决这些问题，图像处理技术可以准确地计算抛土率，建立理论模型，便于相关人员进行印证。同时，还可以获得土壤耕作机械在抛土过程中，土粒的运动参数，为进一步优化奠定基础。在研究配比中，要建立土地流动图处理标准，了解耕作机性能以及其工作时速、工作参数之间的配比关系。设定定量结果，当其定量结果下降至7～10个百分点时，就可以将其作为该工况下实际抛土率的定向描述值。通过多种情况的比对分析，综合土壤耕作机的抛土力、工作效率因素，就可以对农机实现精准测试。图像处理技术与其他土壤耕作机械分析技术相比，虽然目前仍处于初级阶段。但其技术手段正在不断更新，为后续土壤耕作机械的优化提供了广阔的发展思路[9]。

3.2 种植施肥机械

种植施肥机械按照种植对象以及工艺流程，可以分为播种机、插秧机、栽植机等类型。为了保障机械结构更加精准、合理，就需要在使用时不断改进。但受成本以及人员等影响，实际改进工作成本较高，耗费时间、精力。因此，通过图像处理技术，可以模拟种子施肥机械的运作标准，设定检测系统。该系统可以捕捉种子的运行轨迹，通过计算机模拟，确定种子的最佳运行方程式，从而改善机械结构。例如，排种机是播种机的关键部件。在检测精度上，要求极高。但以往对排种机进行校准费时费力[10]。目前，测试用的排种机性能大部分集中在光电检测阶段，光电检测阶段与人工检测阶段配合，虽然能够直观地反映出种子的着陆性能。但有可能会造成一定程度的污染，也会额外浪费种子。光电检测适合检测漏播现象，对于重播检测准确率较差，部分种子因个体差异，体积较小，在检测过程中很容易产生大量误差，干扰最终的测试效果。使用图像处理技术，通过计算机抓拍种子运动物体的图像，结合排种器充填性能，设定目标以及建立背景。分析种子边缘以及种子之间的距离，该算法系统误差性极小，速度较快，有效解决了以往在测试过程中重播率较大的问题。我国对于农业机械的类别以及应用范围都已扩大，因此图像处理技术的使用标准更加严格。传统的栽种机械变形测试在很多情况下受到因素限制，包含主观因素以及客观因素。应用图像处理技术，可以融合变形测试系统，对实验对象的受力过程以及运动状态实现储存分析，配比得到最终结果，发挥测试优势。

3.3 植物保护机械

植物保护机械，顾名思义便是通过各项方法防治植物病虫害的机械。主要包含了各类喷洒机械，也涵盖了物理方法以及机械方法的设备。近年来我国大力使用的无人机，也可划分为植物保护机械。植物保护机械喷淋包含了喷雾、喷粉、喷烟，在我国目前的农业标准中，要实现精准农业、绿色化农业，喷雾技术应用最广泛。喷雾装置中的喷头是关键部件，喷头设置，可以保证喷雾细腻、量大。但参数的不同，对于最终病虫害的防治效果有着重要影响。如何调节喷头在使用过程中出现的偏差角度，已成为研究重点。以往，常规的研究方法无法对喷头的各项角度值进行精度计算，因此很容易出现浪费行为。但如果通过图像处理技术拍摄喷头，就可以对图像的处理序列实现分析，完成喷雾的空间分布、矢量控制，以便实现精准测量。且可以了解不同结构的喷头在不同情况下喷雾状况，提供改进依据。通过图像分析技术与传统喷雾相比，优化后喷头可以减少80%以上农药用量，但其最终效果反而提高2.5～3.7倍，土壤的农药沉降量以及空中的农药漂移率减少72%。之所以出现此类效果，则是因为传统喷头虽然喷雾较为细腻，但喷量依然较大。且时间控制不精准，对于某些地区使用统一量农药喷洒。不同地区的病虫害不同，因此使用图像处理技术，可以考虑当地病虫害的实际分布情况，以便精准地调节喷雾量。不仅节约农药，同时还减少对环境的污染。农药的喷雾更加细腻，也便于农药挥发、渗透。

3.4 收获机械

农作物收获机械是实现生产、收割的各种机械，如玉米收割机、马铃薯收割机、小麦收割机等。作为主要的收割器械，玉米收割机的路径源于人工控制。但这种方式很难提高机械化的自动运行程度，需要大量的人力资源，且收割效率较低。如最明显的便是人工操作机械的熟练程度，这与工作经验有密切关联，具备不稳定性。如何保障玉米收割机的性能，实现自动化操作，既要通过图像处理系统融合玉米自收割机器人实现路径识别，又要保证降低研究成本。例如，通过对人工行走垄行图像进行采集，并使用滤波器去除噪声。随后，完成粒子边缘检测，通过多项测试结果，成功规划行走路径，为玉米收割机械自动化运行提供了可行的方法。马铃薯是我国常见作物，如何实现马铃薯收割机的优化也是我国研究的重点目标。通过动态图像技术，对马铃薯收割机的工作情况实现拍摄。指定任一研究对象获取每一帧图像中的坐标，绘制马铃薯机械的运动轨迹以及马铃薯机械化的曲线，使二者融合，设置最佳的参数比例。提高了马铃薯的收获率，降低人力成本。而在小麦收割过程中，倒伏有可能造成小麦的颗粒损失。为了防止小麦倒伏，对小麦田进行拍摄，实现图像处理。基于图像颜色特征识别方法以及图像灰度值变化处理，精准地算出图像边缘，获得倒伏小麦与正常小麦之间的差异。从而有效地控制收割机的高度以及参数，防止在收割过程中对于小麦产生额外伤害，降低小麦倒伏率。

4 图像处理技术在农机测试中未来成长方向

图像处理技术在农机测试中的未来成长方向，包含了实时要求、准确要求以及动态要求。例如，实时要求可以从系统图像的采集到最终的测试，在最短时间内完成，达到最佳速度的标准分析。我国目前的图像处理识别虽然速度比较快，但不确定因素较多，这加大了图像采集的处理量。在未来，必须满足实时性要求。在准确性要求中，农机测试受周围环境影响，单纯地依靠实验室的理想标准值，无法实现农机的改进。因此，要考虑各项测试环境，加之拍摄角度、温度、光照等各种因素影响，满足计算机图像的准确性要求。此外，农产品种类较多，不同种类之间也有明显的个体差异。在摄像过程中，要充分地考虑物体之间的差异，实现拍摄角度的调节。动态性要求则是要实现图像的实时记录，记录各项机械化的运作流程以及被检测农作物的分布情况。减少在拍摄过程中帧率图像的失衡以及质量的下降，利用多行处理方法，对于拍摄图像的特征值进行提取整合，确保图像具有高解析率。

5 结语

综上所述，图像处理技术有高度的灵活性以及开放性，可以与计算机系统保持同步，将拍摄到的图像返回至数据库，实现对比分析。既可以提高最终的检测精度，降低成本。同时，也可以节省人力资源。尽管近年来我国加大了图像处理技术的研发力度，但相关技术仍亟待改进，需要引起有关部门的高度重视，以缩短农机的开发周期，满足我国精细化农业的成长需要。