基于圖像處理的草莓花朵識別算法研究

崔明 陳仕雄 李民濤

摘要：針對草莓花朵識別算法的研究，對于草莓的生長信息監測、智能施肥和智能授粉等具有非常重要的意義。本文針對草莓圖像特點，采用改進K均值聚類方法完成圖像的分割，并利用形態學處理和連通區域特征分析提取花朵區域目標。實驗結果表明，該方法能夠準確完成草莓的花朵識別。

關鍵詞：草莓花朵;K均值聚類;連通區域

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）12-0109-03

0 引言

隨著機器視覺和計算機技術的成熟，圖像處理技術已經越來越廣泛的應用于農作物生長監測中。目前國內外關于農作物生長監測研究取得了很多的進展。Meyer和Davison利用圖像處理技術采集單株植物在不同生長階段的生長信息并建立植物生長模型。ZENG等提出一種基于機器視覺技術的葡萄果實直徑檢測系統，該系統實現了重復精度±7um果實的直徑測量，為更好地檢測植物生長參數提供了有效的工具。李長纓等人利用圖像處理技術實現了單株黃瓜幼苗特征參數的無損測量，實驗結果表明，檢測方法能準確的檢測株高、莖粗和葉冠投影面積等特征信息。

隨著草莓智能栽培技術的快速發展，草莓的施肥、授粉等技術已經開始向機械化、智能化方向發展。本文針對草莓生長的智能化監測問題，利用圖像處理技術對草莓花朵識別技術進行研究，并提出了相關的檢測算法，為草莓的生長監測、智能施肥和智能授粉等提供理論和技術支持。

1 系統構成

考慮到草莓監測環境的特殊性，草莓花朵檢測系統主要包括攝像頭、圖像處理控制器和運動控制設備，檢測系統在自然光線下工作。

（1）攝像頭和鏡頭。攝像頭負責草莓圖像信息的采集，主要依據檢測精度、視野尺寸進行選擇。鏡頭參數主要是焦距，其選擇主要依據工作距離進行確定。

（2）圖像處理控制器。圖像處理控制器負責接收攝像頭采集到的圖像并進行處理分析，是檢測系統的中樞機構，圖像處理控制器的性能直接決定圖像處理速度。

（3）運動控制設備。由于相機視野范圍有限，需要運動控制設備負責檢測系統的整體運動，運動控制設備主要包括控制器、導軌、電機、電機驅動器等構件。

2 圖像檢測算法

圖像檢測算法是檢測系統的核心。針對圖像特點，圖像處理過程主要包括R顏色空間圖像提取、圖像濾波、改進K均值聚類分割、形態學處理、連通區域特征分析等步驟，具體圖像檢測流程如圖1所示。

2.1 圖像采集及預處理

圖像采集是圖像處理的前提，草莓圖像采集后，為了提高圖像處理速度和算法的自適應性，針對草莓圖像特點，提取圖像的R空間顏色特征分量，進行高斯濾波處理，高斯模板通過對二維高斯函數的離散化表示，對于一個大小為的矩陣，其位置的元素表示為：

（1）

其中為高斯函數標準差，高斯濾波模板大小為，檢測結果如圖2所示。

2.2 圖像分割

針對圖像特點，本文利用改進K均值聚類分割算法對圖像進行分割，形成分割區域，具體聚類分割算法可以描述如下。

Step1：首先將樣本圖像灰度值轉換為尺寸大小為的一維樣本數據集，其中樣本圖像像素個數，設迭代運算次數為且聚類類型為時的聚類中心為，從數據集中隨機選取一個樣本對象作為初始聚類中心。

計算每個樣本與已有聚類中心的最短距離 ，其中為數據集中的第個樣本;接著計算每個樣本對象被選為下一個聚類中心的概率：

（2）

按照輪盤法選擇下一個聚類中心重復步驟直到選擇出個對象組成初始聚類中心，具體的，聚類中心個數。

Step2：迭代計算：根據相似度準則計算樣本數據集中每個樣本與初始聚類中的距離 k，如下式（5）所示，將各個數據對象劃分到距離最小的聚類集合簇中，則：

（3）

Step3：聚類中心更新：按照聚類中心更新公式計算各聚類集合中的均值作為該集合新的聚類中心，更新得到新的聚類集合中心，設為聚類的元素，聚類的元素個數為，聚類中心更新公式如式（6）所示：

（4）

Step4：終止條件：循環更新聚類集合中心，直到各聚類中心不再發生變化或者誤差平方和局部最小為止，聚類準則函數計算方法為：

（5）

精度誤差為，若，則算法結束，終止迭代，否則反復執行迭代計算和聚類中心直至滿足終止條件，圖像分割結果如圖3所示。

2.3 形態學處理

經過圖像分割得到的區域還存在很多的噪聲干擾信息，為了祛除噪聲區域，利用形態學處理算法對分割區域進行處理，設表示圖像矩陣，表示結構元素，形態學處理方法如下式所示：

（6）

采用尺寸為的矩形結構元素對聚類分割區域進行開操作，圖像處理結果如圖4所示。

2.4 連通區域特征分析

經過形態學處理后，細小的噪聲干擾區域已經祛除。考慮到草莓花朵的實際大小，需要進一步祛除非目標區域。本文將灰度一致，且滿足8鄰接的像素判定為相同區域，通過連通區域面積特征，過濾噪聲干擾區域，根據如下公式提取出像素面積在的區域，

（7）

其中和分別為面積像素的參數下限值和上限值，圖像處理結果如圖5所示。

3 結果分析

為了驗證算法的實現效果，本文利用C#完成了上述算法的實現。實驗運行環境CPU為Inter Core i7-3517UE CPU2.20GHz，內存為8GB，檢測界面如圖6所示。結果表明，檢測算法能夠實現草莓花朵的精確檢測，并能顯示花朵區域像素面積。

4 結論

本文針對草莓花朵識別算法進行研究，提出了一種基于R顏色空間的改進K均值草莓花朵分割算法，并利用形態學處理和連通區域特征分析完成目標區域的選擇定位，實現了草莓花朵的檢測識別，為草莓生長信息監測提供理論與技術支持。

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Research on Strawberry Flower Recognition Algorithm Based on Image Processing

CUI Ming，CHEN Shi-xiong，LI Min-tao

（Jiangsu Vocational College of? Agriculture and Forestry， Zhenjiang? Jiangsu? 212400）

Abstract：The research of strawberry flower recognition algorithm is very important for Strawberry Growth information monitoring， intelligent fertilization and intelligent pollination. According to the characteristics of strawberry image， the improved k-means clustering method is used to segment the image， and the flower region target is extracted by morphological processing and connected region feature analysis. The experimental results show that this method can complete flower recognition of strawberry accurately.

Key words：strawberry flower; K-means clustering; connected region