基于主动计算机视觉的茶叶采摘定位技术

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1、２０１４年９月农业机械学报第４５卷第９期ｄｏｉ：１０．６０４１／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００１２９８．２０１４．０９．０１０基于主动计算机视觉的茶叶采摘定位技术张浩陈勇汪巍张国路（南京林业大学机械电子工程学院，南京２１００３７）摘要：为解决名优茶智能采摘的茶叶嫩梢定位问题，提出了一种基于主动视觉的嫩梢定位方法，并据此开发了一套视觉定位系统。针对茶叶采摘工作面特点设计了交叉投影与摄像光路；基于色彩因子法实现了自然环境下茶叶嫩梢的识别；重点研究了利用光栅投影轮廓术实现茶叶嫩梢高度信息获取。光栅投影轮廓术采用时间

2、相位法获取光栅场的相位，并利用判别机制和形态滤波器去除噪声点，以多项式逼近法计算高度克服非线性误差。试验结果表明，基于光栅投影法的茶叶嫩梢定位系统，能够有效识别嫩梢并获取其三维信息，为研究名优茶智能采摘机解决了茶叶嫩梢定位问题。关键词：茶叶采摘定位主动计算机视觉光栅投影轮廓术＋中图分类号：ＴＰ２４２６２；Ｓ５７１１文献标识码：Ａ文章编号：１０００１２９８（２０１４）０９００６１０５只有定位采摘目标，采摘工作才能进行。对于自然引言环境下茶叶嫩梢的识别与定位，国内外均未见相关茶叶是食品行业中的一个特

3、色产业，茶叶的收研究报道。本文在前期研究与试验基础上，提出一获和加工具有很强的季节性，存在劳动强度高、效率种基于光栅投影轮廓术的茶叶嫩梢定位系统，该系低和占用农时长等问题，这些问题制约了茶叶产业统能实现茶叶嫩梢的精确定位，且能一次性实现整的进一步发展。目前，茶叶采摘尤其是早春名优茶个工作面的嫩梢定位，工作效率高。采摘仍然以手工为主，手工采茶用工占整个茶叶生１三维定位测量系统模型产用工的５０％，采茶工资占茶叶价格的３０％左［１］右。在采茶成本不断增加和劳动力严重短缺双光栅投影法是近年来迅速发展起来的一种主动

4、重压力下，许多茶园面临着弃采甚至撂荒。为了避式光学测量技术，以其测量精度高、速度快，对环境［４］免茶叶资源的损失，加快发展茶叶采摘机械化势在要求低等优点成为主动式视觉的主要技术。该必行。通过机械化替代人工采茶，不但可以降低劳技术以交叉光轴投影系统为基础，将周期调制的光动强度，节约成本，同时可以提高生产效率和茶叶品栅场投射在被测物体的表面，由ＣＣＤ获取变形的光质。栅条纹图像，再由条纹图像解调出相位信息。根据目前，茶园使用的采茶机械主要分为两大类，一测量系统的光路结构找出相位偏移量与表面高度的［５－９］类是自

5、走乘坐式采茶机，一类是手提或背负式采茶关系，即可解出物点的三维坐标。机（包括单人和双人），这些采茶机的主要区别在于与其它结构光方法不同，光栅投影法投影的是行进方式不同，而其作业方式却基本一致，即采用双一个在空间中呈现周期分布的光栅场，在测量中以刀片往复或旋转切割采摘茶叶。这种作业方式属于相位来描述光栅场的空间分布，并在条纹图像中求面积型操作，虽然切割效率很高，但缺乏对嫩芽的选出相位来得到点的三维坐标。由于相位在空间中是择，而且严重影响嫩芽的完整度，只适用于大宗茶的连续分布的，所以光栅投影法可以通过一次投影

6、直采摘。对于名优茶一芽一叶或一芽两叶，甚至只采接测量整个幅面，这是相位方法的一个突出优［２－３］［１０］单芽的要求，根本无法实现。因此，茶园迫切需点。要能够实现名优茶智能采摘的新型采茶装备。基于光栅投影轮廓术的方案，设计了采茶机嫩对于研发智能采茶机，茶叶嫩梢的智能识别与梢定位系统，系统结构如图１所示。该系统主要由定位是一个主要难点，也是实现智能采摘的前提。摄像机ＣＣＤ（ＭａｎｔａＧ１２５Ｂ／Ｃ型）１台，投影仪收稿日期：２０１３０９２８修回日期：２０１３１２０３“十二五”国家科技支撑计划资助项目（２０１１

7、ＢＡＤ２０Ｂ０７）作者简介：张浩，副教授，博士，主要从事光学三维测量理论与方法、表面计量学研究，Ｅｍａｉｌ：ｚｈａｎｇｈａｏｗｏ７９＠１６３．ｃｏｍ６２农业机械学报２０１４年（三菱ＧＷ５７５型）１台，计算机１台以及垂直参考控制还需要高度坐标。茶叶种植有其自身的特点，面组成。其中，ＣＣＤ与投影装置呈三角关系，即目前的茶叶种植方式，多数为单行条摘，采摘面通常ＣＣＤ和投影光心的连线平行于参考面，ＣＣＤ光轴垂修剪成平面或弧形。这样的种植方式，十分有助于直于参考面，且光轴与投影轴相交于参考面。ＣＣＤ机械化采茶。也

8、正是针对这一特点，提出将光栅投光心到投影光心的距离ｄ取为４５ｃｍ，ＣＣＤ光心到影轮廓术应用于茶叶嫩梢定位，测量其实际高度。参考面距离ｌ０设为１１０ｃｍ。整个系统的工作可分为两步：①茶叶嫩梢的识别，确定茶叶嫩梢的存在并给出水平坐标。②利用光栅投影法测量嫩梢相对［１１］于参考面的实际高度。图２早春茶叶Ｆｉｇ．２Ｔｅａｉｎｅａｒｌｙｓｐｒｉｎｇ图１茶叶嫩梢定位系统结构图Ｆｉｇ．１Ｔｅａｔｉｐｓｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇｓｙｓｔｅｍ２茶叶