机器视觉温室黄瓜霜霉病特征提取.pptxVIP

各位同学大家好，下面我来给大家介绍一下基于机器视觉的设施农业病害特征提取方法

我将以温室中黄瓜最常见的病害——霜霉病为例给大家讲解这个知识点。;首先我们来了解一下设施农业的环境特点：设施农业存在密闭、高温、轮作性差等特点，温室病害数量和品种多于户外大田，且防治困难，各种病害日趋严重。农药使用频繁且用量大，更易导致环境污染、农药残留等后果。

下面就是温室黄瓜常见的霜霉病的图片，霜霉病在温室黄瓜中的流行会导致至少30%的减产，甚至绝收。;温室中生长的黄瓜为非结构化环境，存在着

自然光照多变；

作物形态多样；

背景环境复杂；

目标相互遮挡；

病害表征形式存在种内差异性和种间相似性等特点，这给用机器视觉方法获取病害信息带来了很大的难度，因此我们必须设计合适的软硬件系统和图像处理算法，才能有效地提取温室黄瓜霜霉病的病害特征。

下面我分别从硬件和软件两个角度介绍温室黄瓜霜霉病特征提取方法。;首先是硬件系统，硬件主要指的是视觉传感器，我们采用全局视觉传感器和局部视觉传感器相结合的方法。

全局视觉传感器采集区域完全覆盖温室内黄瓜垄地，提取黄瓜垄地的全局信息

局部视觉传感器安装于施药机器人的喷杆上，获取黄瓜植株和叶片图像，检测黄瓜植株病害的立体分布和病情等信息。通过对以上信息的处理与判断进而做出喷雾决策，机器人根据决策信息控制机械臂对靶喷雾。;

局部和全局传感器的位置和处理信息的示意图如图所示。

从这幅图中我们可以清楚地看出全局和局部视觉传感器的处理对象的不同。;介绍完视觉传感器之后，下面我来给大家介绍一下图像处理算法，即如何根据视觉传感器采集的图片来判断黄瓜是否患病。

在介绍算法之前，我先来介绍一下三种颜色空间，这也是理解后面所介绍的图像处理算法的基础。

首先是RGB颜色空间，这是我们最常用的颜色空间模型，

在RGB模型中，每种颜色出现在红、绿、蓝的原色光谱分量中，这个模型基于笛卡尔坐标系，所有R,G,B的值都在[0,1]范围内取值，其中，R，G，B位于3个角上；青、深红和黄位于另外3个角上，黑色在原点处，白色???于离原点最远的角上，如图所示。

;HIS是图像处理中另一种常见的颜色空间，它更加符合人眼对色彩的感知。HIS模型把图像的彩色信息和亮度信息分开，用色调、饱和度和亮度来定义颜色。其中色调(H)是指基本颜色，描述一种颜色区别于另一种颜色的程度；饱和度(S)指一种颜色的纯度；亮度(I)描述图像的明暗。

该颜色空间示意图如左图所示。

此外，HIS空间还可以与RGB空间互相转换，转换公式如右图所示。;最后我们介绍一下YCbCr空间：

YCbCr空间，被广泛应用在电视色彩显示领域，由三个基组成Y、Cb和Cr，其中Y包含亮度信息，Cb和Cr包含色度信息，分别叫做蓝色度和红色度。

该空间也可以和RGB空间相互转换

;介绍完三种颜色空间后，我们首先以一天之内不同时间段采集的图像入手，分析归一化亮度与光线照度间的关系，作为颜色空间选择的参考。

为提高图像处理算法的适应性和鲁棒性，我们需要针对温室可能出现的不同光照条件、不同时段的图像进行算法适应性研究，以判断各种颜色空间中的参数是否随光线发生变化，我们采用图像归一化亮度NI定量评价，光线照度与图像亮度的关系，归一化亮度如下式所示。得到的光线与亮度NI的结果如图所示，我们可以发现除了图(f)和图(g)的归一化亮度NI差别相对较大外，其余图像的NI值波动范围都在0.1以内。因此我们可以得出：归一化亮度与光照度之间并无太大关系。分析原因主要是摄像机根据内部设置的图像亮度阈值调节了自动光圈镜头的光圈开度，进行了光强的自适应补偿。

;选择最佳的颜色空间是彩色图像处理的关键，我们就具体问题进行分析，以确定使用哪一种颜色空间。

我们分别分析在全局图像和局部图像中，霜霉病斑部分在三种颜色空间中各个分量在不同光照度下的变化情况，

通过折线图我们可以发现：全局图像中的霜霉病斑在RGB空间中三种分量随光线变化很大，而在HSI空间中H和S分量随光线变化不大。在局部图像的RGB和HSI空间各分量随光线变化折线图中我们也可以得到相同的结论。

;而在YCbCr空间中，无论是全局图像还是局部图像，均是Cb、Cr分量随光照变化不大。

综上我们可以得出，HSI颜色空间的H、S参数和YCbCr颜色空间的Cb、Cr参数，随光线变化不大，可用于进行病害提取算法的开发。

;霜霉病斑和健康叶片的H均值有效分离如图(a)所示，但是霜霉病斑和健康叶片的S均值出现了交叉且浮动较大。Cb和Cr均值能比较明显将二者分离。

实验表明Cb和Cr的组合能有效地解决目标和背景信息叠加问题，并且效率优于HIS空间，这是由于HIS空间变换算法涉及大量的开方、三角函数等非线性运算，平均每幅图像需要200ms以上，运算速度较长，导致速度上无法满足机器人施药实时性