計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)及其在農(nóng)業(yè)工程中的應(yīng)用

楊曉雪，史曉剛

（1.晉中信息學(xué)院（原山西農(nóng)業(yè)大學(xué)信息學(xué)院），山西 晉中 030800；2.太原江鈴動力有限責(zé)任公司，山西 太原 030032）

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)和許多傳統(tǒng)行業(yè)形成了有效結(jié)合，為其發(fā)展提供了重要的科技發(fā)展動力。農(nóng)業(yè)工程作為基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)之一，運(yùn)用科技化的發(fā)展方式能夠更好地提升產(chǎn)量和質(zhì)量，對于促進(jìn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步完善具有積極意義。圖像處理技術(shù)是用數(shù)字信號代替圖像信號，然后用計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。它已在人們生活的各個方面受到廣泛的重視和應(yīng)用，在計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)和農(nóng)業(yè)工程結(jié)合的過程中可以貫穿于篩種、種植和質(zhì)檢等每一個環(huán)節(jié)，極具應(yīng)用優(yōu)勢和發(fā)展?jié)摿Α?/p>

1 計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)的發(fā)展

圖像處理技術(shù)是在計(jì)算機(jī)識別和處理分析高度發(fā)展之下形成的一門新學(xué)科，能夠?qū)ζ湎到y(tǒng)捕捉到的圖像進(jìn)行灰度化處理和相應(yīng)細(xì)節(jié)的增強(qiáng)，更好幫助使用者從圖像中分析獲取需要的相關(guān)數(shù)據(jù)信息。圖像處理技術(shù)的內(nèi)容十分廣泛，包括了壓縮、增強(qiáng)和匹配識別等不同的功能，使用者可以根據(jù)圖像質(zhì)量和實(shí)際需求進(jìn)行優(yōu)化處理，增強(qiáng)從單一圖像中獲取的信息量。圖像處理技術(shù)和許多行業(yè)都能有效結(jié)合，最常見的人臉識別就是根據(jù)當(dāng)前采集的圖像信息進(jìn)行特征定位，與已錄入的人臉信息展開逐一對比從而有效判斷圖像所包含的相應(yīng)信息。

2 計(jì)算機(jī)圖像處理系統(tǒng)的軟硬件結(jié)構(gòu)

在計(jì)算機(jī)圖像處理系統(tǒng)中包含了圖像拍攝元件、圖像顯示、信息存儲和一些計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)中還可以根據(jù)不同的需求串聯(lián)更多的原件來豐富其功能，但上述結(jié)構(gòu)是圖像處理系統(tǒng)較為基礎(chǔ)的組成。在一些特殊的拍攝情況下還需要補(bǔ)充光源使圖像更加清晰，在農(nóng)業(yè)工程中可盡量利用自然光源和補(bǔ)充光照的方式完成圖像的捕捉與拍攝。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是完成圖像處理和信息對比的重要元件，其中包含了一些軟件的編程設(shè)計(jì)，能夠使圖像處理系統(tǒng)按照使用者的需求進(jìn)行有效的信息輸出。在應(yīng)用該系統(tǒng)時要注意軟硬件結(jié)構(gòu)的連接與安裝，更好地促進(jìn)該系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域中的有效運(yùn)用。

3 圖像處理技術(shù)的主要分類

壓縮是指在拍攝過程中取得了內(nèi)存較大的圖像，為便于存儲和傳輸需要對其像素進(jìn)行壓縮處理，刪減圖像中一些不重要的信息。壓縮技術(shù)主要是利用了像素點(diǎn)的識別與對比，當(dāng)該像素點(diǎn)和其臨界像素點(diǎn)之間蘊(yùn)含信息相同時則可通過取平均值的方式減少內(nèi)存大小。圖像增強(qiáng)也是利用了像素點(diǎn)的取值特性對圖像中一些較為模糊的區(qū)域進(jìn)行銳化處理，更好地恢復(fù)圖像中本身的紋理信息。

匹配識別是指通過提前錄入的數(shù)據(jù)庫和當(dāng)前圖像所反映的信息進(jìn)行逐一對比，從而獲得一定的信息判定和輸出。在實(shí)際使用中，這些圖像處理技術(shù)還能夠和不同的計(jì)算機(jī)技術(shù)形成有效結(jié)合，按照使用者的不同需求進(jìn)行功能上的完善和提升。

4 圖像處理在農(nóng)業(yè)工程中的實(shí)踐運(yùn)用

計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)就是把一些需要處理的圖像或信息做一個轉(zhuǎn)化，把它們換成某一種高速運(yùn)算的功能，最后以一種最佳的結(jié)果表示出來的處理過程。主要是把圖像信息數(shù)字化或把圖像進(jìn)行修復(fù)、加強(qiáng)、分析計(jì)算編碼化等。

（1）種子資源檢測。可以利用計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)進(jìn)行種子資源的檢測與篩選，使更多飽滿的良種能夠參與到農(nóng)業(yè)工程種植中。在種植種子之前，可以先通過計(jì)算機(jī)圖像采集和處理明晰每一個種子的顆粒飽滿程度，若出現(xiàn)表皮皺縮、失水等問題時，可以及時將這些種子進(jìn)行篩選和分類，確保在種植與育種的過程中能夠減少不必要的經(jīng)濟(jì)損失。在育種篩選時要能夠根據(jù)不同作物的特性和種子的相關(guān)參數(shù)展開合理選擇，如部分種子因內(nèi)部中空，其直徑尺寸明顯小于其他正常種子，則直徑尺寸也可作為種子資源檢測與篩選的重要參數(shù)之一。

（2）自動化的管理。自動化管理技術(shù)是貫穿在農(nóng)作物生長的全過程中的一種有效的管控方式，能夠?qū)Ξ?dāng)前種植區(qū)域內(nèi)的作物生長情況和結(jié)果情況進(jìn)行有效監(jiān)測，及時調(diào)控其生長所需的各項(xiàng)補(bǔ)給和果實(shí)成熟度，有效促進(jìn)了農(nóng)業(yè)工程中時間規(guī)劃的合理性，避免了部分早熟果實(shí)過早衰落而不能及時采摘。利用計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)能夠更好地了解當(dāng)前種植區(qū)域內(nèi)植被的生長狀況，是一種有效的遠(yuǎn)程監(jiān)督管理，并根據(jù)植被的不同狀態(tài)采用對應(yīng)的處理方式，有利于提升管理工作的高效性和及時性。自動化管理工作可以和農(nóng)作物的灌溉、噴藥和采摘管理等結(jié)合在一起，使現(xiàn)代化的農(nóng)業(yè)工程形成一種更加科學(xué)合理的工作流程，并不斷提升農(nóng)耕區(qū)域內(nèi)的科技和自動化水平。

（3）農(nóng)品熟度檢驗(yàn)。可以利用圖像處理的方式對農(nóng)品的熟度展開有效檢驗(yàn)，使種植者能夠根據(jù)圖像處理的結(jié)果按照成熟順序進(jìn)行采摘與運(yùn)輸，不斷提升農(nóng)耕區(qū)域的經(jīng)濟(jì)效益。如番茄等農(nóng)作物在成熟之后表面顏色會從青色變?yōu)榧t色，在圖像處理的過程中能夠有效提取圖像中的顏色分布情況，經(jīng)過色彩占比分析后能夠判斷當(dāng)前農(nóng)品的成熟情況。當(dāng)其成熟度達(dá)到初級采摘標(biāo)準(zhǔn)時可以進(jìn)行定位反饋，幫助種植者快速掌握當(dāng)前農(nóng)品的生長情況。這種計(jì)算機(jī)圖像處理的方式對于面積較大的種植區(qū)域來說極具應(yīng)用優(yōu)勢，且可以提前將農(nóng)民采摘后進(jìn)行長途運(yùn)輸，幫助種植者有效擴(kuò)大農(nóng)品經(jīng)營范圍，促進(jìn)農(nóng)業(yè)工程的有效發(fā)展。

（4）外形尺寸檢驗(yàn)。在農(nóng)產(chǎn)品成熟之后還需要對其品質(zhì)進(jìn)行進(jìn)一步的檢驗(yàn)和分類，特別是對于一些外形飽滿且尺寸較大的農(nóng)產(chǎn)品其售賣價格明顯更高，這種自動化的分類方式能夠減少耕種者的工作量。采摘后的農(nóng)產(chǎn)品在進(jìn)行外觀尺寸檢驗(yàn)時的工藝技術(shù)更為簡單，可以通過流水線逐一經(jīng)過圖像識別與測距系統(tǒng)，達(dá)到設(shè)定的大果閾值范圍后則自動進(jìn)行分類存儲，在流經(jīng)完成后能夠按照尺寸大小將農(nóng)品分為不同種類進(jìn)行合理售賣。

（5）植物生長監(jiān)測。在植物生長監(jiān)測系統(tǒng)中可以通過錄取其生長過程中的不同圖像信息，合理判斷和預(yù)測農(nóng)作物的有效產(chǎn)量，對于把控當(dāng)前種植的經(jīng)濟(jì)效益和畝產(chǎn)具有積極意義。霜降或冰雹等特殊天氣會對農(nóng)作物的生長有很大影響，而通過圖像監(jiān)測系統(tǒng)則能夠及時發(fā)現(xiàn)特殊天氣并通過警報提醒耕種者提前采取措施。在生長監(jiān)測系統(tǒng)中可以通過圖像的實(shí)時對比和遠(yuǎn)程警報減少人工參與的工作量，在農(nóng)業(yè)工程的發(fā)展和公眾作業(yè)過程中引入更多的自動化與機(jī)械化設(shè)備，使耕種者的人均作物產(chǎn)出率得到了有效提升。由于GPS的成本較高和圖像檢索技術(shù)的不斷成熟，這就決定了動態(tài)圖像處理技術(shù)在今后的大面積農(nóng)業(yè)作業(yè)中更為經(jīng)濟(jì)實(shí)用。

圖1 動態(tài)圖像處理系統(tǒng)的組成

5 結(jié)束語

總之，在計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用過程中，能夠有效通過外觀檢測的方式判斷種子質(zhì)量，特別是一些皺縮失水的壞種可以及時清理，提升了耕種的育苗成功率。在作物的生長過程中也可以通過圖像探測進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，及時對其進(jìn)行補(bǔ)光、撒藥等處理，使其能夠更好地生長。在作物成熟后，可以利用圖像處理來檢驗(yàn)果子的外形尺寸和農(nóng)品熟度，為其采摘運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)做好合理的次序安排，有效促進(jìn)農(nóng)業(yè)種植收益的最大化，并在整個過程中實(shí)現(xiàn)高度自動化，節(jié)約了人工成本和勞動量。