玉米行间导航线实时提取(2) - 玉米科学杂志社投稿_期刊论文发表|版面费|电话|编辑部|论文发表- 玉米科学

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玉米行间导航线实时提取(2)

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图2 导航线提取流程Fig.2 Process of navigation line extraction

2 图像预处理与苗带分割

为了减少光照强度对图像识别的影响，将颜色分量R、G、B值进行归一化[24]，采用归一化后的颜色分量代替原有颜色分量，克服不同光照强度对苗带特征提取的影响，计算方法如式（1）所示。

式中r、g和b分别为颜色分量R、G和B的归一化值。

分别在弱光和强光条件下俯拍玉米田间图像，选取2种光照条件下各40帧视频图像，每幅图像提取20个玉米和土壤测试点，进行颜色分量R、G、B值统计分析。如图3a和图3b所示，颜色分量变化规律的不确定直接影响玉米与土壤背景的准确分割。通过对颜色分量归一化处理，确保不同光照条件下颜色分量变化规律相同，结果如图3c和图3d所示。

采用超绿特征算子对玉米苗带图像进行灰度化处理，超绿特征算子计算方法如式（2）所示。

式中Eg(x,y)为像素点(x,y)的灰度值。

采用超绿特征算子计算土壤和玉米苗带图像灰度值，统计结果如图 4a，统计结果表明玉米不同生长时期土壤背景灰度值显著小于玉米。以超绿特征算子为玉米分割阈值，采用最大类间方差法[25-27]分割玉米和土壤背景，不同时期玉米二值化分割效果如图4c所示。

图3 颜色分量统计结果Fig.3 Statistical results of color components

图4 不同时期玉米与土壤背景分割结果Fig.4 Segmentation results of corn and soil background in different periods

田间杂草、秸秆以及玉米叶片外展噪声，直接干扰静态ROI的提取。采用形态学膨胀和腐蚀去除噪声，并连通小范围断垄区域，结果如图4d所示，该区域可用于车轮对行行走路径规划效果较好。图像预处理与苗带分割为后续的ROI可靠提取提供了必要条件。

3 车轮可行走动态ROI确定

如果直接对相机采集的图像进行处理，单帧图像处理时间普遍大于300 ms[28]，无法满足导航作业的实时性需求，为此本文提出在可行走动态ROI内开展导航线提取。

3.1 静态ROI确定

玉米种植采用条播法，行与行之间保持相同的距离，垂直投影法能够较好的应用于条播作物导航线提取。针对垂直投影法应对复杂环境适应性差，容易出现苗带中心线拟合角度偏移大，且耗时较长的问题，本文将垂直投影法用于初始帧图像处理，确定静态 ROI，然后在静态ROI的基础上确定导航动态ROI。

3.1.1 图像带划分

由于相机俯拍角度的影响，玉米苗带在图像中并不是相互平行的，无法直接对图像使用垂直投影，因此需要将图像划分成若干图像条。在采集图像W×H像素范围内按照Δh像素高度划分图像带，如图5a所示。图像带垂直投影结果如图5b所示。

图5 图像带划分与垂直投影结果Fig.5 Image band division and vertical projection results注：W为图像宽度，pixel；H为图像高度，pixel；Δh为图像带高度，pixel。Note:Wis the image width，pixel;His the image height，pixel; Δhis the image band height pixel.

3.1.2 ROI区域的几何表达

确定静态 ROI，需要定位玉米行中心点，采用垂直投影法获取玉米行中心点的步骤如下：

1）从下至上依次对划分的图像带进行编号1、2、…、n、…、N，其中N为图像带总数，根据聚类计算结果本文取10。采用公式（3）计算图像带W×Δh像素范围列像素累加值，得到列像素曲线Z(j)，如图5所示。

式中下标j为图像带像素点列坐标；下标i为图像带像素点行坐标。

2）确定图像带中玉米行中心点。设置阈值T，当Z(j-1)＜T＜Z(j+1)时，图像带像素列坐标j为上升列序号；当Z(j+1)＜T＜Z(j-1)时，j为下降列序号，其中阈值T根据公式（4）～（6）计算。上升点与下降点的中心点即为图像带中玉米行中心点。

式中M为图像带所有列像素累加和的均值；E为图像带列像素累加值标准差。

3）按照上述步骤对所有图像带进行相同操作，得到W×H像素范围内的所有玉米行中心点。

4）在编号1的图像带中，从W/2位置向两侧扫描，记录两侧扫描的第 1个像素点坐标分别为 ()，(，计算2个像素坐标点的中点水平位置Wc。

5）在编号为2的图像带中，扫描线从Wc处向两边扫描，并执行步骤 4）。以此循环，最后确定编号为N的图像带左右 2行作物行中心点的像素坐标分别为()。

6）采用公式（7）对和进行运算，获得梯形ROI的4个顶点的像素坐标，基于顶点位置确定ROI。

式中（X1,）为ROI左下角像素坐标，（）为ROI右下角像素坐标，（）为ROI左上角像素坐标，（X4,）ROI右上角像素坐标。A和B的值根据图6确定。

文章来源：《玉米科学》网址: http://www.ymkxzz.cn/qikandaodu/2021/0119/685.html