摘要: 針對溫室番茄智能化管理需要，研究莖稈、葉片和綠果等3類相近色目標(biāo)的多波段圖像融合方法，以凸顯目標(biāo)與背景亮度差異，提高目標(biāo)視覺識別效率。根據(jù)其各自在300~1000 nm范圍的反射光譜特征差異，建立了針對其光譜數(shù)據(jù)分類的Lasso正則化邏輯回歸模型。基于模型的稀疏解特征，確定具有較大權(quán)值系數(shù)的450、600和900 nm等3個波段作為最優(yōu)成像波段，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了溫室番茄植株多波段圖像在線采集系統(tǒng)。結(jié)合最優(yōu)成像波段下相近色目標(biāo)圖像特征分析，提出了基于NSGA-II的多波段圖像加權(quán)融合方法，以增強(qiáng)特定目標(biāo)與近色背景物體的圖像亮度差異。最后通過現(xiàn)場試驗(yàn)對多波段圖像融合效果進(jìn)行評估。結(jié)果表明，分別以莖稈、葉片和綠果器官作為識別目標(biāo)，通過多波段圖像融合處理后，目標(biāo)與背景之間的圖像灰度差異絕對差值相應(yīng)達(dá)到單波段圖像的2.02、8.63和7.89倍，即被識別目標(biāo)與其他近色背景的亮度差異顯著增強(qiáng)，且背景物的亮度波動得到抑制。本研究結(jié)果可以為農(nóng)業(yè)環(huán)境近色目標(biāo)視覺識別相關(guān)研究提供參考。

　　關(guān)鍵詞: 農(nóng)業(yè)機(jī)器人；番茄植株；相近色目標(biāo)；光譜特征；圖像融合;NSGA-II

　　1 引 言

　　中國是番茄生產(chǎn)和消費(fèi)大國，種植面積達(dá)105萬公頃[1]，人均年消費(fèi)量約21 kg[2]。近年來隨著勞動力成本上漲，番茄種植管理的雇工費(fèi)用已上漲至總生產(chǎn)成本比例約45%[3]，人力成本過高已成為限制番茄種植效益增長的客觀因素。鑒于機(jī)器人在智能探測和復(fù)雜操作方面的獨(dú)特優(yōu)勢，針對溫室番茄采摘、整枝、授粉以及噴藥等勞動密集、操作復(fù)雜的種植管理環(huán)節(jié)，研發(fā)能夠代替人工作業(yè)的農(nóng)業(yè)機(jī)器人，是從工程技術(shù)角度應(yīng)對當(dāng)前形勢的有效途徑[4,5]。準(zhǔn)確獲取作業(yè)對象的視覺特征是機(jī)器人智能化作業(yè)的必要前提。對于不同管理環(huán)節(jié)，番茄植株莖、葉和果既可能是作業(yè)對象，也可能是背景干擾。然而溫室內(nèi)植株叢生密布、雜亂無序，且番茄莖、葉和綠果為相近色器官，基于寬泛的可見光圖像信息，難以實(shí)現(xiàn)植株特定對象的準(zhǔn)確識別。

　　2 番茄相近色器官光譜特性分析

　　2.1　莖、葉、果光譜特性測量

　　鑒于當(dāng)前主流工業(yè)攝像機(jī)的敏感波段為300~1000 nm，本研究重點(diǎn)針對該波段區(qū)間內(nèi)番茄莖、葉、果的反射光譜特征進(jìn)行采集和分析。如圖1所示光譜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其中光譜信息采集單元選用Ocean Optics公司QE65 Pro光譜儀，其測量光譜范圍為185~1100 nm，分辨率為0.8 nm，搭配Ocean Optics公司HL-2000型鹵鎢光源作為輻射源，其光譜范圍360~2400 nm。采集系統(tǒng)安裝于暗箱內(nèi)，以減少外界雜光干擾。測量過程中通過光纖探頭支架調(diào)節(jié)探頭安裝高度，其與被測對象保持恒定距離，克服探測距離差異引起的光譜反射強(qiáng)度測量誤差。

　　2.2　基于LR-Lasso的最優(yōu)成像波段選擇

　　量化描述不同波段對于區(qū)別番茄相近色系器官的重要性，是獲得最優(yōu)成像波段的必要前提。以番茄莖、葉和綠果樣本的光譜特性測量結(jié)果為數(shù)據(jù)集，針對3類樣本的二分類邏輯回歸模型（Logistic Regression，LR）表示為式（1）。

　　3 溫室番茄植株圖像在線采集

　　3.1　多波段圖像采集系統(tǒng)

　　為了獲取番茄植株相近色器官在最優(yōu)成像波段區(qū)間成像信息，設(shè)計了多波段圖像采集視覺系統(tǒng)，如圖4所示。選用acA1300-60 gmNIR攝像機(jī)（Basler公司）為成像單元，其敏感波段為300~1000 nm。攝像機(jī)鏡頭前加裝±20 nm帶通濾光片（浙江光益科技），其中心波長與選定的成像波段相對應(yīng)，分別為450、600、900以及950 nm，帶寬±20 nm。濾光片呈圓周陣列分別安裝于Edmund 56-658型濾光片轉(zhuǎn)輪內(nèi)。通過旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)輪可以切換攝像機(jī)鏡頭前的濾光片，以采集不同波段的圖像。光源選用200 W鹵素?zé)簦跀z像機(jī)視場形成5000 lx輻射強(qiáng)度，以克服實(shí)驗(yàn)環(huán)境光照波動的影響。

　　3.2　圖像灰度補(bǔ)償矯正

　　由于在同一光源輻射環(huán)境下，不同波段的光照強(qiáng)度各不相同，且攝像機(jī)成像芯片對不同波段的敏感程度也不同，為了使得圖像亮度與目標(biāo)光譜反射強(qiáng)度相對應(yīng)，需要采集的不同波段圖像進(jìn)行亮度矯正[17]。本研究利用D65（白色）標(biāo)準(zhǔn)色板作為參照，近似認(rèn)為其對各成像波段具有相同的反射特性。標(biāo)準(zhǔn)色板可由機(jī)械裝置推送進(jìn)入靠近番茄植株的攝像機(jī)視場特定位置。通過觸發(fā)采集方式，攝像機(jī)對于同一波段下番茄植株和標(biāo)準(zhǔn)色板各采集一幅圖像，且采集過程中攝像機(jī)曝光參數(shù)保持不變。鑒于攝像機(jī)在可見光波段具有較強(qiáng)感光性能，以600 nm圖像中色板灰度為參考亮度。

　　參考文獻(xiàn)

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　　作者馮青春 1,2, 陳建 2, 成偉 3,4, 王秀 1,3*