麥春艷，鄭立華，肖昌一，陳　元，李民贊，劉　剛（中國農(nóng)業(yè)大學(xué)現(xiàn)代精細(xì)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)集成研究教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京　100083）

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一種基于信息融合蘋果果實(shí)世界定位方法

麥春艷，鄭立華*，肖昌一，陳元，李民贊，劉剛
（中國農(nóng)業(yè)大學(xué)現(xiàn)代精細(xì)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)集成研究教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083）

摘要：構(gòu)建由Kinect設(shè)備、差分GPS設(shè)備和陀螺儀組成的信息獲取系統(tǒng)，推導(dǎo)RGB圖像中蘋果果實(shí)世界坐標(biāo)的計(jì)算方法。利用Kinect設(shè)備獲取果園果樹RGB圖像和深度圖像，差分GPS全球定位系統(tǒng)和陀螺儀分別獲取Kinect相機(jī)位置信息和姿態(tài)信息。融合RGB圖像和深度圖像，利用相對位置定位模型，計(jì)算蘋果圓心相機(jī)空間坐標(biāo)，融合相機(jī)位置信息和姿態(tài)信息，利用空間三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換原理，建立絕對位置定位模型計(jì)算蘋果世界坐標(biāo)，對每個果實(shí)進(jìn)行世界空間位置唯一標(biāo)定。結(jié)果表明，果實(shí)相對平均定位誤差0.035 m，果實(shí)絕對定位經(jīng)度誤差0.117 m，緯度誤差0.437 m，海拔誤差0.145 m。

關(guān)鍵詞：Kinect；陀螺儀；差分GPS；信息融合；果實(shí)世界定位；坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

麥春艷,鄭立華,肖昌一,等.一種基于信息融合蘋果果實(shí)世界定位方法[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2016, 47(1): 74-80.

Mai Chunyan, Zheng Lihua, Xiao Changyi, et al. A world positioning method for apple fruits based on information fusion[J]. Journal of Northeast Agricultural University, 2016, 47(1): 74-80. (in Chinese with English abstract)

隨機(jī)器視覺技術(shù)發(fā)展，在精細(xì)化農(nóng)業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。機(jī)器視覺技術(shù)對自然條件下果實(shí)定位逐漸引起關(guān)注[1]。果實(shí)生長位置隨機(jī)性、個體形狀差異性和環(huán)境復(fù)雜性等，增加了果實(shí)采摘機(jī)器人視覺定位難度。一方面，果實(shí)采摘機(jī)器人需探測作業(yè)區(qū)域內(nèi)果實(shí)，確定果實(shí)準(zhǔn)確位置，作出正確采摘動作。另一方面，對于果園果實(shí)估產(chǎn)應(yīng)用，需在復(fù)雜自然條件下識別果實(shí)，對果實(shí)進(jìn)行世界坐標(biāo)絕對定位，確定蘋果在世界空間中唯一位置，以避免探測設(shè)備不同角度下對同一果實(shí)重復(fù)計(jì)數(shù)。

Stajunko等使用雙目視覺技術(shù)獲取蘋果、柑橘和番茄等果實(shí)形心的三維坐標(biāo)信息以指導(dǎo)果實(shí)機(jī)器人采摘[2-6]。但雙目視覺方法易受外界自然光照影響。李明喜等提出一種雙目彩色圖像信息和近紅外圖像信息融合番茄三維定位方法，解決多目標(biāo)圖像特征匹配不確定問題，利用遺傳算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法修正成像過程測距誤差，但定位穩(wěn)定性和精度受雙目結(jié)構(gòu)變換影響[7]。Nguyen等和Dong等使用Kinect代替?zhèn)鹘y(tǒng)雙目視覺相機(jī)分別獲取蘋果樹和番茄植株的RGB彩色圖像和深度圖像，并識別和定位果實(shí)[8-9]。Wang等開發(fā)一套基于立體視覺蘋果估產(chǎn)系統(tǒng)，在HSV顏色空間下，利用蘋果和樹葉顏色區(qū)間不同檢測果實(shí)像素點(diǎn)，結(jié)合形態(tài)學(xué)和定位算法計(jì)量樹上蘋果，但該系統(tǒng)需在夜間且有人工光源和人工背景條件下進(jìn)行，且未考慮不同角度拍攝相同果實(shí)可能多次計(jì)數(shù)問題[8]。

以上定位方法均屬于果實(shí)相對位置定位，在基于圖像果園果樹估產(chǎn)應(yīng)用中，由于視覺系統(tǒng)視角有限，需對同一株或若干株果樹進(jìn)行多角度信息采集。采集過程中，存在相同果實(shí)被重復(fù)拍攝情況，如僅基于相對位置定位計(jì)量每幅果樹圖像中果實(shí)并將其累加值作為果樹產(chǎn)量，將增加果樹產(chǎn)量，導(dǎo)致錯誤估產(chǎn)結(jié)果。為解決此問題，本文提出基于信息融合蘋果果實(shí)世界坐標(biāo)定位計(jì)算方法。利用第二代Kinect RGB-D相機(jī)拍攝果樹，得到RGB彩色圖像和深度圖像。根據(jù)RGB彩色圖像、深度圖像和Kinect相機(jī)空間坐標(biāo)系之間坐標(biāo)映射關(guān)系確定RGB圖像中蘋果圓心在Kinect相機(jī)空間坐標(biāo)系中位置；再結(jié)合Kinect相機(jī)差分GPS定位信息和空間拍攝姿態(tài)信息，利用空間三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換原理，完成蘋果圓心坐標(biāo)從Kinect相機(jī)空間坐標(biāo)系到世界坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換。該方法可實(shí)現(xiàn)果園果實(shí)絕對位置定位，獲得較為準(zhǔn)確的空間位置坐標(biāo)，可對每個果實(shí)在世界空間中進(jìn)行位置唯一標(biāo)識。通過計(jì)算果實(shí)絕對位置，可避免不同角度下信息采集系統(tǒng)對相同果實(shí)重復(fù)計(jì)數(shù)。

1　材料與方法

1.1果實(shí)定位信息獲取系統(tǒng)

為獲得果實(shí)準(zhǔn)確空間位置坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)果實(shí)精準(zhǔn)定位，搭建果園果實(shí)定位信息獲取系統(tǒng)，如圖1所示，該系統(tǒng)硬件設(shè)備包括：第二代Kinect設(shè)備（Kinect for windows，微軟公司）、差分GPS定位系統(tǒng)（M600 GNSS接收機(jī)，司南公司）及數(shù)字式三軸陀螺儀（MPU6050，應(yīng)美盛公司）。第二代Kinect體感設(shè)備為3D攝像機(jī)，能同時采集目標(biāo)物體RGB圖像和深度圖像[9]。采用ToF（Time of flight，飛行時間）主動光源技術(shù)，能在自然環(huán)境下使用不受外界光照變化影響?；诘诙鶮inect具有出色深度信息采集能力、快速獲取目標(biāo)場景RGB-D信息、操作簡單、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于目標(biāo)物體三維信息獲取。為獲取Kinect相機(jī)世界位置信息，本文采用高精度差分GPS定位Kinect相機(jī)。M600姿態(tài)定位定向型GNSS接收機(jī)是專門為特種設(shè)備設(shè)計(jì)的高精度姿態(tài)定位定向設(shè)備，采用中國BDS（Bei?Dou Navigation Satellite System，中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)）和美國GPS雙星五頻GNSS板卡，實(shí)現(xiàn)在樹下、樓群等遮擋較嚴(yán)重和高動態(tài)情況下對目標(biāo)物體快速高精度定位和定向。該定位系統(tǒng)靜態(tài)差分水平精度為±（2.5+1×10-6D）mm，靜態(tài)差分垂直精度為± （5 + 1×10-6D）mm。因此，定位精度理論上可滿足果實(shí)絕對位置定位要求。采用數(shù)字式三軸陀螺儀監(jiān)測Kinect相機(jī)空間拍攝姿態(tài)，獲得其姿態(tài)信息，包括仰角、滾角和方向角。

圖1系統(tǒng)硬件設(shè)備Fig. 1 Hardware devices of the system

1.2果實(shí)定位信息采集

選取中國農(nóng)業(yè)大學(xué)東校區(qū)校內(nèi)仿真蘋果樹作為試驗(yàn)對象，使用Kinect相機(jī)拍攝，獲取自然條件下蘋果樹RGB圖像和深度圖像，如圖2所示。高精度差分GPS確定Kinect相機(jī)世界位置信息，得到相機(jī)經(jīng)緯度及海拔數(shù)據(jù)；數(shù)字式三軸陀螺儀采集Kinect相機(jī)拍攝姿態(tài)信息，得到相機(jī)仰角、滾角及方向角。

圖2 Kinect相機(jī)圖像采集Fig. 2 Images acquired using Kinect camera

1.3蘋果相對位置計(jì)算

為獲得蘋果圓心在Kinect相機(jī)空間坐標(biāo)系中位置，首先建立Kinect相機(jī)空間坐標(biāo)系，如圖3所示。其中，Kinect相機(jī)空間坐標(biāo)系以RGB攝像頭為坐標(biāo)原點(diǎn)Oc，以右側(cè)為Xc軸正方向，以正上方為Yc軸正方向，以正前方為Zc軸正方向，結(jié)果值能夠反映目標(biāo)物體景深情況，坐標(biāo)系距離（m）。

圖3 Kinect相機(jī)空間坐標(biāo)系Fig. 3 Camera space coordinate system of Kinect

Kinect相機(jī)采集果樹RGB圖像和深度圖像，利用微軟提供軟件開發(fā)工具包Kinect SDK 2.0以及應(yīng)用程序編程接口API可獲得RGB圖像像素坐標(biāo)系、深度圖像像素坐標(biāo)系和相機(jī)空間坐標(biāo)系三者之間坐標(biāo)映射關(guān)系，鼠標(biāo)點(diǎn)擊RGB圖像中果樹上一個蘋果，即可得到其在RGB圖像像素坐標(biāo)系、深度圖像像素坐標(biāo)系以及相機(jī)空間坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值。

基于Kinect相機(jī)蘋果相對位置計(jì)算流程如圖4所示。

1.4蘋果絕對位置計(jì)算

計(jì)算蘋果在Kinect相機(jī)空間坐標(biāo)系中位置后，利用空間三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換原理，融合相機(jī)拍攝時的姿態(tài)信息和差分GPS定位信息，建立果實(shí)絕對位置定位模型，計(jì)算果實(shí)世界坐標(biāo)。1.4.1本地經(jīng)緯度到距離轉(zhuǎn)換關(guān)系測定

圖4相對位置計(jì)算流程Fig. 4 Flow chart of relative positioning calculation

GPS定位系統(tǒng)對待測點(diǎn)的測定值采用經(jīng)緯度及海拔表示，而Kinect相機(jī)空間坐標(biāo)系中各坐標(biāo)值使用距離單位表示，由于地球表面是不規(guī)則球面，不同地方每一度經(jīng)度和緯度代表的距離不同[12]。因此，在將Kinect相機(jī)空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)為世界坐標(biāo)之前，將Kinect相機(jī)空間坐標(biāo)系距離坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為經(jīng)緯度形式，測量當(dāng)?shù)孛慷冉?jīng)緯度差和距離（m）間轉(zhuǎn)換關(guān)系，才能計(jì)算蘋果絕對位置。

由于蘋果尺寸約束，要判斷在不同角度下拍攝的果實(shí)是否為同一果實(shí)，果實(shí)絕對位置定位精確度須小于1個蘋果半徑（約4 cm）。選用高精度差分GPS完成該項(xiàng)參數(shù)測量，測定果實(shí)定位地點(diǎn)經(jīng)緯度和距離轉(zhuǎn)換關(guān)系。選擇果園中平坦地面作為實(shí)驗(yàn)地以避免實(shí)驗(yàn)結(jié)果受海拔高度影響，選擇地面上某一點(diǎn)作為起始點(diǎn)O，使用移動天線測定其經(jīng)度值Olat和緯度值Olon。第一組實(shí)驗(yàn)，保持經(jīng)度不變，將移動天線分別移至距離起點(diǎn)O10個不同距離處，分別測量緯度值，根據(jù)公式（1）求解緯度差到距離轉(zhuǎn)換值Clat：

其中，Plat(i)表示不同距離處緯度值，D(i)表示距離值。第2組試驗(yàn)，保持緯度不變；同理，測定不同距離處經(jīng)度值，根據(jù)公式(2)求解經(jīng)度差到距離轉(zhuǎn)換值Clon：

其中，Plon(i)表示不同距離處經(jīng)度值。不同距離處測量經(jīng)緯度到距離轉(zhuǎn)換值結(jié)果見圖5。

圖5本地經(jīng)緯度到距離轉(zhuǎn)換值測量Fig. 5 Measurement results of the conversion value of local latitude and longitude to distance

由圖5可知，當(dāng)測量距離較小時，結(jié)果波動較大，但隨測量距離增加，結(jié)果趨于穩(wěn)定。因距離較小時，測量結(jié)果易受細(xì)小誤差，如人為操作、GPS測量時擾動誤差等影響，距離逐漸增大時，人為操作和擾動引入測量誤差影響較小，故測量結(jié)果趨于穩(wěn)定。因此，本文選取測量結(jié)果中穩(wěn)定值均值作為本地經(jīng)緯度到距離轉(zhuǎn)換值，其中，緯度到距離測定轉(zhuǎn)換值Clat為0.03242''·m-1，經(jīng)度到距離測定轉(zhuǎn)換值Clon為0.04214''·m-1。

1.4.2蘋果世界坐標(biāo)絕對位置定位

為推導(dǎo)出Kinect相機(jī)空間坐標(biāo)系中蘋果圓心世界坐標(biāo)，果園果實(shí)定位一般性場景見圖6。世界坐標(biāo)系中：Yw軸指向正北方，與經(jīng)線平行，Xw軸指向正東方，與緯線平行，Zw軸和本地水平面垂直，正方向與地心引力方向相反。Oc-XcYcZc坐標(biāo)系是Kinect相機(jī)空間坐標(biāo)系。

圖6果園果實(shí)定位場景Fig. 6 Fruit location scene in orchard

假設(shè)1個蘋果P在Kinect相機(jī)空間中坐標(biāo)為Pac(xac,yac, zac)，拍攝相機(jī)姿態(tài)角度為Ac(α,β,γ)，其中α、β、γ分別表示Kinect相機(jī)俯仰角、橫滾角和方位角。相機(jī)GPS坐標(biāo)為Pcw(Ncw,Ecw,Hcw)，其中Ncw為緯度，Ecw為經(jīng)度，Hcw為海拔高度。蘋果世界坐標(biāo)計(jì)算步驟為：

①調(diào)整Kinect相機(jī)空間坐標(biāo)系，使其與世界坐標(biāo)系對齊，得到空間坐標(biāo)系O'c-X'cY'cZ'c，Kinect相機(jī)空間坐標(biāo)系調(diào)整變換公式如式(3)所示：

其中，Pac表示Kinect相機(jī)空間坐標(biāo)系中一點(diǎn)，Reversex和Reversez分別表示對當(dāng)前Xc軸和Zc軸取反，Rx（90°）表示坐標(biāo)系繞Xc軸順時針旋轉(zhuǎn)90°。

②融合相機(jī)姿態(tài)信息和GPS定位信息，根據(jù)空間三維坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換原理[13]，由公式(4)得到果實(shí)世界坐標(biāo)：

其中，旋轉(zhuǎn)變換矩陣Rx(α)、Ry(β)、Rz(γ)分別表示調(diào)整后Kinect相機(jī)空間坐標(biāo)系分別繞世界坐標(biāo)系Xw、Yw、Zw軸順時針旋轉(zhuǎn)角度α、β、γ，表達(dá)式分別為：

平移變換矩陣T表示Kinect相機(jī)空間坐標(biāo)系原點(diǎn)Oc在世界坐標(biāo)系中位置，其表達(dá)式如式(8)。

③根據(jù)計(jì)算得到果園本地經(jīng)緯度到距離轉(zhuǎn)換關(guān)系，根據(jù)式（9）將式（4）中計(jì)算的世界坐標(biāo)進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為用經(jīng)緯度表示的坐標(biāo)。

完成蘋果世界坐標(biāo)計(jì)算，蘋果世界坐標(biāo)由經(jīng)度、緯度、海拔高度構(gòu)成。基于信息融合蘋果果實(shí)世界絕對位置定位方法流程見圖7。

圖7果園果實(shí)絕對定位流程Fig. 7 Flow chart of absolute positioning of fruit in orchard

2結(jié)果與分析

2.1蘋果絕對定位及其誤差分析

本文提出一種基于多源信息融合蘋果果實(shí)世界坐標(biāo)定位方法。首先，融合果樹RGB圖像和深度圖像信息，采用相對位置定位模型，實(shí)現(xiàn)果實(shí)在Kinect相機(jī)空間坐標(biāo)系中定位。然后，在相對位置定位基礎(chǔ)上，融合相機(jī)拍攝姿態(tài)信息和差分GPS定位信息，計(jì)算果園當(dāng)?shù)亟?jīng)緯度到距離之間轉(zhuǎn)換關(guān)系，建立絕對位置定位模型，得到果實(shí)世界坐標(biāo)。表1顯示圖8中蘋果樹上每個果實(shí)世界坐標(biāo)值計(jì)算值、實(shí)際測量值及距離誤差。

圖8蘋果樹果實(shí)世界坐標(biāo)Fig. 8 World coordinates of fruits in theapple tree

由表1可知，平均定位誤差在經(jīng)度上達(dá)0.117 m，在緯度上達(dá)0.437 m，海拔上達(dá)0.145 m。在果實(shí)絕對位置定位方面，絕對位置定位模型在理論上計(jì)算誤差為0，而在實(shí)際果實(shí)定位中，由于樹葉遮擋等原因，GPS信號接收影響較大，導(dǎo)致可接收信號衛(wèi)星數(shù)量減少，影響GPS定位精度，使絕對位置定位精度波動較大。同時，陀螺儀在實(shí)際工作中，也受環(huán)境和人為等因素影響產(chǎn)生擾動誤差，影響絕對位置定位精度。

2.2蘋果相對位置測定及其誤差分析

測量圖像中各蘋果果實(shí)之間實(shí)際距離，根據(jù)各果實(shí)經(jīng)緯度和海拔計(jì)算值求解各蘋果之間相對距離計(jì)算值，表2顯示圖8中各個蘋果果實(shí)之間距離計(jì)算值、真實(shí)值和距離誤差。由表2可知，相對定位距離誤差為0.035 m。

表1果實(shí)絕對定位誤差分析Table 1 Analysis of fruit absolute positioning error

比較相對距離計(jì)算值和實(shí)際值，得到結(jié)果如圖9，可知，各果實(shí)之間距離計(jì)算值和實(shí)際距離很接近，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.9336。因此，相對定位精度可滿足果實(shí)采摘機(jī)器人應(yīng)用需求。

圖9相對定位精度Fig. 9 Relative positioning accuracy

3結(jié)論

a.基于Kinect相機(jī)可快速實(shí)時獲取果樹RGB圖像和深度圖像，利用信息融合技術(shù)，可解析果實(shí)在Kinect相機(jī)空間中坐標(biāo)值，實(shí)現(xiàn)果實(shí)相對位置計(jì)算，相對定位平均距離誤差為0.035 m。

b.果實(shí)絕對位置定位方面，理論上計(jì)算誤差為0，實(shí)際定位中，經(jīng)度誤差為0.117 m，緯度誤差為0.437 m，海拔誤差為0.145 m。

c. GPS定位系統(tǒng)定位精度易受果樹枝葉遮擋影響，因此絕對位置定位穩(wěn)定性較差。同時陀螺儀也會受外界環(huán)境和人為等因素影響產(chǎn)生擾動誤差。提高GPS定位系統(tǒng)及陀螺儀抗干擾能力，增加絕對位置定位穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，有待進(jìn)一步探討。

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A world positioning method for apple fruits based on information fusion

MAI Chunyan, ZHENG Lihua, XIAO Changyi, CHEN Yuan, LI Minzan, LIU Gang(Key Laboratory of Modern Precision Agriculture System Integration Research, China Agricultural University, Ministry of Education, Beijing 100083, China)

Abstract:An information acquisition system was designed and built, which consisted of a Kinect, a differential GPS receiver and an attitude sensor, and a world coordinates calculation approach for apple fruits in a color image was developed depending on this system. The color image and corresponding depth image of fruit tree were taken by the second generation Kinect which was an RGB-D camera, and the world position and the spatial attitude information was obtained by the differential GPS and the digital attitude sensor respectively according to the information acquisition system. Firstly, the camera coordinates of apples' centers were computed by fusing both the RGB and depth information of the color and depth images. Secondly, an absolute positioning model was established according to the three-dimension space coordinate transformation algorithmto calculate the world coordinates of apples, by which the unique world space position of each apple could be acquired. The experiment was carried out, and the results showed that the mean error of the relative positioning was 0.035 m, and for the absolute positioning, the mean distance error of the longitude reached 0.117 m, that of the latitude reached 0.437 m, and that of the altitude reached 0.145 m.

Key words:Kinect; attitude sensor; differential GPS; information fusion; fruit world positioning; coordinate transformation

*通訊作者：鄭立華，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)信息化。E-mail: zhenglh@cau.edu.cn

作者簡介：麥春艷（1991-），女，碩士研究生，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)信息化。E-mail: 916205854@qq.com

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（31371532）

收稿日期：2015-08-08

中圖分類號：TP391.41; S216

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1005-9369（2016）01-0074-07