大蔥切根裝置設(shè)計(jì),大蔥,裝置,設(shè)計(jì) 基于圖像識(shí)別的采摘技術(shù) 愛媛大學(xué) 生物力學(xué)部 引言 自動(dòng)化技術(shù)近年在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域發(fā)展迅速。但是，這項(xiàng)技術(shù)仍然沒有達(dá)到工廠自動(dòng)化的水平。在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域有一些難題。例如，農(nóng)業(yè)運(yùn)作要比工業(yè)生產(chǎn)更復(fù)雜。植物器官形狀的各不相同，要求圖像傳感器和辨認(rèn)系統(tǒng)應(yīng)能準(zhǔn)確的獲取果實(shí)的位置。迄今為止，二維和三維的圖像傳感器，圖像識(shí)別和形狀建模功能已經(jīng)研發(fā)成功。我們實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)研發(fā)出了可以識(shí)別草莓位置的三維視覺傳感系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)由三部分組成。1)一個(gè)通過顏色辨認(rèn)果實(shí)的電荷耦合攝像機(jī)2）一個(gè)探測(cè)果實(shí)方位并測(cè)量果實(shí)距離的測(cè)距儀3）分析這些二維三維數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)。這個(gè)系統(tǒng)通過探測(cè)到的數(shù)據(jù)確定果實(shí)的三維坐標(biāo)。你會(huì)發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用這個(gè)三維視覺傳感系統(tǒng)，可以成功的辨認(rèn)出已選定形狀的果實(shí)。 為了支持門式系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)，建立了涵蓋果實(shí)日常生長(zhǎng)變化參數(shù)的數(shù)據(jù)庫。這個(gè)數(shù)據(jù)庫包含成熟果實(shí)、未成熟果實(shí)、已收獲果實(shí)、果實(shí)形狀、顏色及三維坐標(biāo)信息，因此能夠完成裝運(yùn)預(yù)測(cè)。因此，開發(fā)這樣一個(gè)數(shù)據(jù)庫可以使我們?yōu)闄C(jī)械自動(dòng)收獲果實(shí)制定計(jì)劃，從而有效地提高運(yùn)作和收割效率。 圖1 起重系統(tǒng)和三維視覺傳感系統(tǒng) 簡(jiǎn)介 在溫室生產(chǎn)中，計(jì)算機(jī)支持系統(tǒng)是控制自動(dòng)化的環(huán)境條件的媒介。此外，為實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)自動(dòng)化研發(fā)了很多機(jī)器人。特地研發(fā)了采摘機(jī)器人。關(guān)于果實(shí)和花的位置的識(shí)別系統(tǒng)對(duì)于實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自動(dòng)控制是很重要的。在早先的設(shè)計(jì)中，我們?cè)O(shè)計(jì)了機(jī)器人傳感系統(tǒng)。但是，它不能識(shí)別很小的綠色或白色的果實(shí)。這次設(shè)計(jì)中，我們通過花和果實(shí)的相關(guān)數(shù)據(jù)來找出這些小果實(shí)。同時(shí)，我們也制造了花和小果實(shí)的識(shí)別系統(tǒng)。 草莓選育系統(tǒng) 圖2 草莓田里的壟和起重系統(tǒng) 圖1展示的是安有起重系統(tǒng)的三維視覺傳感系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)的組成部分有：能夠輸入顏色和二維圖像信息的電荷耦合器攝像機(jī)、能夠確定z軸坐標(biāo)的測(cè)距儀和一個(gè)能夠在y軸方向移動(dòng)的工作臺(tái)。龍門系統(tǒng)可以在x方向的導(dǎo)軌上移動(dòng)。龍門系統(tǒng)中的圖像處理模塊是圖2中的一個(gè)作業(yè)階段。圖2展示的是一塊草莓田。有三壟被地膜覆蓋的田，并且其上裝有可以在導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)的起重系統(tǒng)。這塊田的圖像處理工作被分成27個(gè)工作階段。這個(gè)工作流程在田間依次循環(huán)執(zhí)行。草莓如圖1所示種植。果實(shí)和花長(zhǎng)在田間，葉則長(zhǎng)在靠近田壟的位置。這樣，在圖像處理階段就可以通過二維圖像信息輕易的分辨出花和果實(shí)了。 采摘技術(shù)信息獲取 果 田 機(jī) 房 圖3 采摘系統(tǒng)的圖像處理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫 圖3中的左側(cè)區(qū)域展示的是圖像處理系統(tǒng)。它由三部分組成。1)一個(gè)通過顏色辨認(rèn)果實(shí)的電荷耦合攝像機(jī)2）一個(gè)探測(cè)果實(shí)方位并測(cè)量果實(shí)距離的測(cè)距儀3）分析這些二維三維數(shù)據(jù)、控制x-Y機(jī)器人和測(cè)距儀的計(jì)算機(jī)。這個(gè)系統(tǒng)通過探測(cè)到的數(shù)據(jù)確定果實(shí)的三維坐標(biāo)。右側(cè)區(qū)域展示的是數(shù)據(jù)庫。這個(gè)系統(tǒng)儲(chǔ)存了日期還有果實(shí)和花的數(shù)量與位置。由于綠的未成熟的果實(shí)與莖葉的顏色相同，所以很難被區(qū)分。所以這個(gè)模塊通過花的信息，可以輕易分辨出未成熟的果實(shí)。 圖像處理方法 數(shù)據(jù)庫包含花、綠色未成熟果實(shí)、白色未成熟果實(shí)還有成熟果實(shí)四個(gè)階段的數(shù)據(jù)。這四個(gè)階段是根據(jù)基于色相飽和度與亮度構(gòu)成的色彩來區(qū)分的。圖4展示的是HIS顏色空間和色立體圖的關(guān)系。 圖4 HIS顏色空間和色立體圖 1. 花的鑒定 230 ￡≤ I ≤￡ 255 (1) 0 ￡≤ S ≤￡ 0.05 (2) 如果不等式1、2同時(shí)成立則表明這個(gè)位置是花。 2. 綠色未成熟果實(shí) H = 120o (3) 當(dāng)這個(gè)位置曾經(jīng)是花而不是白色未成熟果實(shí)，同時(shí)等式3成立，則表明是綠色未成熟果實(shí)。 3. 白色未成熟果實(shí) 230 ≤￡ I ￡ ≤￡ 255 (4) 15o ￡ ≤￡ H ￡ ≤￡ 50o (5) 當(dāng)這個(gè)位置曾經(jīng)是綠色未成熟果實(shí)時(shí)，如果不等式4、5都成立，則表明是白色未成熟果實(shí)。 4. 成熟果實(shí) 0o ￡ ≤￡ H ≤￡￡ 15o (6) 當(dāng)這個(gè)位置曾經(jīng)是白色未成熟果實(shí)時(shí)，如果不等式6成立則表明是成熟果實(shí)。 結(jié)果與討論 我們把探測(cè)到的花和果實(shí)的信息儲(chǔ)存到數(shù)據(jù)庫中。建立這個(gè)數(shù)據(jù)庫可以讓我們?yōu)椴烧麑?shí)做好計(jì)劃，從而有效地提高運(yùn)作和收割效率。 參考文獻(xiàn) 1) H. Matsuura, K. Hatou, J. Yamashita and Y. Hashimoto: Recognition by robot visual sensor based on sensor fusion -Fuse range image and 2- dimentional image- , Journal of SHITA: 9 (2): 132~138 (1997). 2) K. Hatou, H. Matsuura, T. Sugiyama and Y. Hashimoto: Range Image Analysis for the Greenhouse Automation in Intelligent Plant Factory, Preprints of the 13th IFAC World Congress (B): 459~464 (1996). 3) T. Morimoto, K. Hatou and Y. Hashimoto: Intelligent control for plant production system, Control Eng. Practice 4(6): 773-784 (1996). 4) Susumu Tachi: Tele-Existence and/or Virtuarl Reality, Proc. International Conference on VSMM: 9~16 (1995). 5) K. Hatou, T. Sugiyama and Y. Hashimoto: Threedimensional measurement of small crops for biotechnological applications, Proc. Inter. Confer. On Virtual System and Multimedia:284-289 (1995). 6) K. Hatou, H. Nonami, M. Itoh, I. Tanaka and Y. Hashimoto: Computer support system for tomato cultivation in plant growth factory, Mathematical and control applications in agriculture and horticulture: 301-306 (1991).