梁習(xí)卉子，陳兵旗，李民贊，魏超杰，楊艷秋，王 進(jìn)，馮 杰

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質(zhì)心跟蹤視頻棉花行數(shù)動(dòng)態(tài)計(jì)數(shù)方法

梁習(xí)卉子1,3，陳兵旗1※，李民贊2，魏超杰1，楊艷秋1，王 進(jìn)1，馮 杰1

（1. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083；2. 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；3. 石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，石河子 832003）

為了實(shí)現(xiàn)無人植保車在棉田全覆蓋視覺導(dǎo)航，該文提出了一種基于視頻的棉花行動(dòng)態(tài)計(jì)數(shù)方法，將棉花行數(shù)作為植保車直線植保作業(yè)行駛到田端后，判斷2個(gè)直線作業(yè)區(qū)間隔距離的依據(jù)，以適應(yīng)實(shí)際作業(yè)環(huán)境中不同的棉花種植行距。通過2--將彩色圖像轉(zhuǎn)化為灰度圖像，強(qiáng)調(diào)了棉花行信息；通過在坐標(biāo)系中設(shè)置固定位置和大小的關(guān)注區(qū)域，在減小計(jì)算量的同時(shí)，有效避免了田端缺苗、棉花行不規(guī)則等現(xiàn)象對(duì)檢測(cè)結(jié)果造成的影響；通過對(duì)關(guān)注區(qū)域內(nèi)各列灰度累計(jì)曲線的波峰篩選，適應(yīng)3個(gè)生長期的棉花行的定位，識(shí)別正確率高于85%；通過設(shè)置浮動(dòng)窗口并求其灰度質(zhì)心為跟蹤目標(biāo)，提高了不同生長期和不同農(nóng)田環(huán)境下的目標(biāo)識(shí)別和跟蹤適應(yīng)性；通過對(duì)質(zhì)心構(gòu)建目標(biāo)窗口，并計(jì)算前后幀目標(biāo)窗口在圖像坐標(biāo)系中所在位置的重疊率，將后一幀目標(biāo)窗口遍歷前一幀圖像中的目標(biāo)窗口，關(guān)聯(lián)重疊率>0.1的目標(biāo)窗口，實(shí)現(xiàn)了視頻圖像中多個(gè)棉花行的跟蹤。結(jié)果表明：該算法對(duì)于不同生長期的棉花行有較好的跟蹤效果，對(duì)田端缺苗、雜草等農(nóng)田環(huán)境有較好的魯棒性。每幀圖像的平均處理時(shí)間為150 ms，能夠滿足實(shí)時(shí)處理要求。

機(jī)器視覺；棉花；識(shí)別；棉田噴藥；側(cè)向移動(dòng)；苗列行計(jì)數(shù)

0 引 言

植保施藥是棉花生產(chǎn)過程中的重要環(huán)節(jié)[1-2]，目前新疆棉花的主要施藥方式為拖拉機(jī)懸掛式施藥[3-4]。雖然這種施藥方式節(jié)省勞動(dòng)力且效率高，但是農(nóng)藥氣霧對(duì)駕駛室環(huán)境造成了污染。植保機(jī)械的無人化是解決施藥人員健康問題的有效途徑。

無人機(jī)施藥可以有效避免農(nóng)藥對(duì)人體造成的傷害，但是在新疆的大面積棉田環(huán)境下，由于其帶藥量有限，且進(jìn)行往復(fù)等間距的飛行定位難度大，未能在新疆進(jìn)行大面積推廣[5-6]。GNSS的無人導(dǎo)航拖拉機(jī)在大面積棉田作業(yè)中實(shí)現(xiàn)了鋪膜播種[7-8]和棉花收獲[9]的自動(dòng)導(dǎo)航，由于植保作業(yè)路徑需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜的作物生長環(huán)境進(jìn)行判斷，目前未用于棉花的植保作業(yè)。

視覺導(dǎo)航車帶藥量大，其路徑由農(nóng)田中作物生長狀態(tài)確定，不存在壓苗現(xiàn)象[10-11]，所以基于視覺導(dǎo)航的無人植保車在新疆大田環(huán)境中有很大的研究空間。

國內(nèi)外很多學(xué)者在視覺導(dǎo)航方面做了很多研究，大部分集中在直線導(dǎo)航方面[12-17]，有關(guān)無人車在田端如何進(jìn)入下一個(gè)直線作業(yè)區(qū)的視覺導(dǎo)航研究很少。

本文設(shè)定一種視覺導(dǎo)航的植保無人車，其前后各安裝一個(gè)攝像頭，分別用于不同行駛方向的導(dǎo)航、田端檢測(cè)定位與橫移距離檢測(cè)。當(dāng)植保無人車沿直線作業(yè)行駛到田端后停車，將4個(gè)行走輪旋轉(zhuǎn)90°橫移，同時(shí)對(duì)經(jīng)過的棉花行數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)圖像檢測(cè)，當(dāng)達(dá)到設(shè)定行數(shù)時(shí)停車，4個(gè)行走輪再同向旋轉(zhuǎn)90°，進(jìn)行下一個(gè)作業(yè)區(qū)的直線行駛作業(yè)。如此往復(fù)完成棉田全覆蓋視覺導(dǎo)航。

由于新疆有不同的棉花種植方式[18]，且植保噴桿的型號(hào)不一[19]，植保車橫移的距離可根據(jù)實(shí)際直線作業(yè)時(shí)噴桿所覆蓋的棉花行數(shù)確定。

國內(nèi)外也有一些研究人員研究同時(shí)檢測(cè)多行作物，但是這些研究都集中在靜態(tài)圖像[21-23]，并未對(duì)視頻序列中的作物行進(jìn)行動(dòng)態(tài)的檢測(cè)研究。

本文利用相機(jī)在田端以垂直于棉花種植行的方向橫移所拍攝的棉花行序列圖像為研究對(duì)象，動(dòng)態(tài)識(shí)別視頻中的棉花行數(shù)。將圖像灰度化并設(shè)定感興趣區(qū)域ROI（region of interest），分析ROI內(nèi)像素的垂直累計(jì)分布規(guī)律，通過累計(jì)像素的波峰確定棉花行。對(duì)棉花行所在區(qū)域設(shè)定浮動(dòng)窗口，并求其灰度質(zhì)心作為目標(biāo)特征點(diǎn)，再對(duì)質(zhì)心構(gòu)建目標(biāo)窗口將其與所在棉花行對(duì)應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻中多個(gè)目標(biāo)的實(shí)時(shí)跟蹤計(jì)數(shù)。

1 材料與方法

1.1 硬件及圖像采集

由于植保車還在研制當(dāng)中，所以試驗(yàn)視頻為2017年5月至7月在新疆石河子農(nóng)科院試驗(yàn)田手工采集，圖像采集設(shè)備為奧尼Q718型USB數(shù)碼攝像機(jī)。苗期棉花圖像為5月下旬采集，視頻共826幀。蕾期棉花圖像為6月采集，視頻共517幀。花鈴期棉花于7月上旬采集，視頻共612幀。相機(jī)擬安裝方位如圖1所示，為植保車在田端橫移時(shí)相機(jī)與棉花之間的最近距離，且0<<100cm，相機(jī)離地面高度H=120 cm，相機(jī)光軸與鉛垂線夾角=（65°±5°），越大棉花行在圖像中的收斂效果越明顯。裝置沿田端橫移速度約為0.5 m/s。采集的彩色視頻圖像幀率為30幀/s，每幀圖像大小為640×480像素。圖像處理所用的計(jì)算機(jī)配置主頻為2.2 GHz，內(nèi)存8 GB，開發(fā)軟件為Microsoft Visual C++ 2010，以北京現(xiàn)代富博科技有限公司的二維運(yùn)動(dòng)圖像測(cè)量分析系統(tǒng)（motion image analysis system, MIAS）為平臺(tái)進(jìn)行程序開發(fā)。

1.2 棉花行的檢測(cè)

由于視頻中所要跟蹤的棉花行的綠色分量突出，可以通過以下步驟確定其所在位置：計(jì)算強(qiáng)調(diào)綠色分量的灰度圖像[10-11]，構(gòu)建感興趣區(qū)域ROI，通過計(jì)算ROI區(qū)域內(nèi)的像素值的垂直累計(jì)值，分析棉花行所在位置。

1.2.1 圖像的預(yù)處理

1）計(jì)算強(qiáng)調(diào)綠色分量的灰度圖像

對(duì)圖像做如下定義：設(shè)定圖像的左上角為坐標(biāo)原點(diǎn)，向右為橫軸正方向，向下為縱軸正方向。為圖像寬度，為圖像高度。彩色圖像中有紅（）、綠（）、藍(lán)（）三個(gè)分量。由于植保期間的棉花植株的分量值最高，為弱化其他分量，強(qiáng)調(diào)圖像當(dāng)中的分量，對(duì)于單幀圖像的分量信息，通過2--的模型[11,16]將棉花植株很好地從背景中提取出來。分量強(qiáng)化后的灰度圖像記為G。

2）計(jì)算ROI區(qū)域灰度垂直累計(jì)直方圖

為了減少計(jì)算量、提高處理速度，避免田端缺苗現(xiàn)象和由透視原理造成的灰度累計(jì)值干擾，對(duì)G將感興趣區(qū)域ROI其左上角坐標(biāo)為0（0，-100），寬為，高為H=/5的區(qū)域（圖2中間的大矩形框），后續(xù)目標(biāo)的尋找和跟蹤只在灰度圖G的ROI區(qū)域內(nèi)進(jìn)行。圖2上方的曲線對(duì)應(yīng)下方圖像中ROI區(qū)域內(nèi)的高度方向所有像素的灰度累計(jì)值。

1.2.2 尋找目標(biāo)質(zhì)心

對(duì)ROI區(qū)域內(nèi)的棉花行進(jìn)行定位。由于棉花植株的綠色分量高于行間的土壤或薄膜，所以在灰度圖G中，棉花行所在的位置灰度垂直累計(jì)曲線上表現(xiàn)為波峰。先初選波峰位置，然后在波峰所對(duì)應(yīng)的ROI區(qū)域內(nèi)設(shè)置浮動(dòng)窗口，求浮動(dòng)窗口內(nèi)的灰度質(zhì)心作為目標(biāo)的特征點(diǎn)。

注：W為ROI區(qū)域的寬度，Hm為ROI區(qū)域的高度，H為圖像高度，Lp2為左側(cè)第二列浮動(dòng)窗口的左邊框所在寬度方向的位置，Rp2為左側(cè)第二列浮動(dòng)窗口的右邊框所在寬度方向的位置，Mg為ROI區(qū)域內(nèi)的灰度的平均值。

1）波峰的初選

先初選波峰，并設(shè)置數(shù)組F用于存放預(yù)選波峰的數(shù)據(jù)。統(tǒng)計(jì)在ROI區(qū)域內(nèi)灰度垂直累計(jì)值，找出ROI區(qū)域內(nèi)灰度值的平均值M（式（1））。將灰度垂直累計(jì)值高于M的列記為1、否則記為0存入F。將F中連續(xù)為1的寬度坐標(biāo)設(shè)為初選波峰位置。

式中F表示在圖像()處像素點(diǎn)的灰度值。

2）目標(biāo)波峰的確認(rèn)

初選的波峰無法與復(fù)雜的農(nóng)田環(huán)境中棉花行進(jìn)行匹配，需要進(jìn)一步的篩選以確認(rèn)符合要求的波峰。

順序掃描數(shù)組F，記錄其連續(xù)為1的區(qū)間個(gè)數(shù)（波峰數(shù)）。對(duì)于每一組連續(xù)為1的區(qū)間，從圖像橫坐標(biāo)左側(cè)開始統(tǒng)計(jì)，將第一個(gè)為1的列記為L(=1,2...,)，將最后一個(gè)為1的列記為R。設(shè)定波峰寬度閾值為W（式（2））。當(dāng)滿足|R－L|>W時(shí)，認(rèn)為第個(gè)波峰滿足寬度要求。

在F中的每一組連續(xù)為1的區(qū)間所對(duì)應(yīng)的灰度垂直累計(jì)值曲線中尋找每個(gè)波峰的最大值V(=1,2...,)。當(dāng)滿足0.85V>g時(shí)，判斷該波峰的相對(duì)尖銳度滿足要求。

將每個(gè)寬度和峰相對(duì)尖銳度都滿足要求的波峰設(shè)定為目標(biāo)（棉花行）波峰。如圖2所示，對(duì)每個(gè)目標(biāo)波峰在圖像G中設(shè)置浮動(dòng)窗口（圖2中的小方框），其寬為L=R?L，高度同ROI區(qū)域?yàn)?i>H。第個(gè)窗口的質(zhì)心[24]Q(x,y)可以由式（3）獲得，存儲(chǔ)于設(shè)置的數(shù)組中。

2 目標(biāo)跟蹤

2.1 目標(biāo)窗口的構(gòu)建

為了在序列圖像中進(jìn)行目標(biāo)棉花行的跟蹤，如圖3所示，以每個(gè)質(zhì)心Q(x,y)為中心，構(gòu)建64×64像素的矩形區(qū)域A(=1,2,3...)作為目標(biāo)窗口。

圖3 目標(biāo)窗口示意圖

2.2 目標(biāo)窗口的確定

當(dāng)一幀圖像中的兩個(gè)浮動(dòng)窗口質(zhì)心之間的距離小于其中任意一個(gè)目標(biāo)窗口矩形框的寬時(shí)，會(huì)出現(xiàn)多個(gè)質(zhì)心對(duì)應(yīng)一個(gè)目標(biāo)的現(xiàn)象，需要將一個(gè)棉花行對(duì)應(yīng)的多個(gè)目標(biāo)窗口融合還原成一個(gè)目標(biāo)，通過判斷每兩個(gè)相鄰的目標(biāo)窗口的重疊率確定唯一目標(biāo)，如圖4。設(shè)連續(xù)的兩個(gè)目標(biāo)窗口分別為A和A+1，二者重疊區(qū)域?yàn)?i>A′，二者重疊率為R。

用式（4）計(jì)算兩個(gè)目標(biāo)窗口的重疊率。當(dāng)R≥0.1時(shí)，認(rèn)為滿足重疊率要求的兩目標(biāo)窗口是由于棉花植株的枝葉太松散，被識(shí)別成2個(gè)質(zhì)心造成的，需要將兩個(gè)目標(biāo)窗口合為一個(gè)目標(biāo)窗口。

式中的A、A+1以及0分別為連續(xù)2個(gè)窗口的左窗口面積、右窗口面積以及這2個(gè)窗口重疊區(qū)域的面積。

圖4 合并重疊目標(biāo)質(zhì)心定位示意圖

Fig.4 Centroid location diagrammatic sketch for merging overlapped targets

設(shè)A的質(zhì)心為Q(x,y)，A+1的質(zhì)心為Q+1(x+1,y+1)，合并后的新目標(biāo)窗口A'質(zhì)心為Q′(′,y′)。式（5）確定了質(zhì)心Q′的坐標(biāo)，構(gòu)造64×64矩形框，以Q′為中心作為新目標(biāo)窗口A′。

同一幀的相鄰目標(biāo)窗口依次進(jìn)行重疊率的計(jì)算和判斷，將合并后的目標(biāo)窗口數(shù)據(jù)儲(chǔ)存到數(shù)組中作為最終每一幀所識(shí)別到的目標(biāo)窗口，并將合并之前的目標(biāo)窗口數(shù)據(jù)清除。

2.3 目標(biāo)的關(guān)聯(lián)

一幀圖像中的每一行棉花都有唯一的目標(biāo)窗口與其對(duì)應(yīng)，設(shè)目標(biāo)鏈表存放每個(gè)目標(biāo)窗口的左上角坐標(biāo)、窗口寬度及高度。設(shè)計(jì)數(shù)器id記錄目標(biāo)窗口的個(gè)數(shù)用于輸出窗口數(shù)值，設(shè)計(jì)數(shù)器nt記錄該目標(biāo)窗口與上一幀圖像中沒有關(guān)聯(lián)目標(biāo)的累計(jì)幀數(shù)，設(shè)參數(shù)b用于標(biāo)記當(dāng)前幀的目標(biāo)窗口與上一幀目標(biāo)窗口是否關(guān)聯(lián)上。

2.3.1 目標(biāo)的跟蹤

在第一幀圖像中獲取目標(biāo)窗口的位置和數(shù)量，從第二幀開始，將每一個(gè)目標(biāo)窗口遍歷上一幀的目標(biāo)窗口進(jìn)行二者重疊率的計(jì)算，計(jì)算方法同式（4）。每一幀對(duì)所有目標(biāo)窗口的鏈表進(jìn)行數(shù)據(jù)更新。將重疊率滿足要求的前后兩幀目標(biāo)關(guān)聯(lián)上，完成目標(biāo)的跟蹤。

由于連續(xù)兩幀圖像中的同一個(gè)目標(biāo)窗口重疊率大于不同目標(biāo)之間的重疊率，為了提高跟蹤的可靠性，避免出現(xiàn)錯(cuò)誤匹配，從第二幀開始，將該幀圖像中的每一個(gè)目標(biāo)窗口遍歷上一幀目標(biāo)窗口的重復(fù)率，尋找與當(dāng)前幀此目標(biāo)窗口有最大重疊率max的上一幀圖像的目標(biāo)窗口，當(dāng)滿足max>0.1時(shí)，此最大重疊率所對(duì)應(yīng)的前后兩幀的目標(biāo)窗口為同一個(gè)目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)的跟蹤，并將計(jì)數(shù)器id中目標(biāo)窗口個(gè)數(shù)輸出為目標(biāo)序號(hào)。

2.3.2 目標(biāo)的更新與排序

隨著相機(jī)在田端垂直于棉花行移動(dòng)，圖像中不斷有新目標(biāo)（棉花行）進(jìn)入圖像，以及舊目標(biāo)在圖像中消失。對(duì)于新進(jìn)入視野（圖像）的目標(biāo)，需要更新鏈表中的數(shù)據(jù)，對(duì)于圖像中消失的目標(biāo)需要存儲(chǔ)其目標(biāo)序號(hào)，以實(shí)現(xiàn)棉花行數(shù)總數(shù)目的更新。

1）目標(biāo)的更新

計(jì)算前后幀目標(biāo)窗口的重疊率，判斷當(dāng)前幀該目標(biāo)窗口是否與上一幀有關(guān)聯(lián)窗口。若已關(guān)聯(lián)則設(shè)當(dāng)前幀的目標(biāo)窗口參數(shù)V為假，反之亦然。

若當(dāng)前幀的目標(biāo)窗口參數(shù)V為真，該目標(biāo)窗口沒有上一幀相關(guān)聯(lián)目標(biāo)窗口，將該目標(biāo)窗口的nt加1，此目標(biāo)屬于新進(jìn)入視野（圖像）中的目標(biāo)。

對(duì)于一個(gè)目標(biāo)，當(dāng)nt≥11時(shí)（圖像寬為640像素，目標(biāo)窗口的大小為64×64），表明該目標(biāo)所對(duì)應(yīng)的棉花行（目標(biāo)）在視頻中已經(jīng)消失。

2）目標(biāo)的排序

設(shè)參數(shù)D用于植保車行駛方向的判斷，朝左為真，朝右為假。當(dāng)相機(jī)面對(duì)棉花行向左移動(dòng)時(shí)，將排序數(shù)字從右向左依次增大，反之亦然。

第一幀圖像中的所有目標(biāo)窗口，將id的值依次輸出。非第一幀圖像中，將已關(guān)聯(lián)上的目標(biāo)窗口的id值進(jìn)行更新，輸出其行數(shù)。將沒有關(guān)聯(lián)上的目標(biāo)窗口的id值加1，輸出更新后的id值作為行數(shù)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

由于植保無人車尚未做好，視頻按照所設(shè)計(jì)的攝像頭安裝位置和速度由手工借助自行車和拍攝桿拍攝采集，所有視頻共1 955幀，包含3個(gè)生長期。采集時(shí)間為11：00?12：00，選擇不同的棉花行種植方向拍攝，涵蓋了不同的光照條件，并且在尋找了不同的農(nóng)田環(huán)境以測(cè)試視頻的處理效果在復(fù)雜的農(nóng)田作業(yè)環(huán)境下的適應(yīng)性。

3.1 目標(biāo)識(shí)別

3.1.1 不同生長階段的識(shí)別

圖5為不同生長階段（苗期、蕾期和花鈴期）的棉花行計(jì)數(shù)處理過程和結(jié)果。

注：從左向右分別為原圖、灰度圖的ROI區(qū)域、ROI區(qū)域內(nèi)灰度垂直累計(jì)值曲線、浮動(dòng)窗口及其質(zhì)心、對(duì)質(zhì)心構(gòu)建的目標(biāo)窗口、棉花行數(shù)檢測(cè)結(jié)果。

視頻中的棉花行均從右向左移動(dòng)，目標(biāo)窗口的排序?yàn)橐勒找曨l內(nèi)圖像移動(dòng)反方向依次增大。由于苗期（圖5a）的棉花植株很小，行間的土壤和薄膜非常明顯，ROI區(qū)域內(nèi)的灰度垂直累計(jì)值雖然小，但在高度方向的累計(jì)曲線中間的2個(gè)波峰很明顯。所確定的浮動(dòng)窗口及其灰度質(zhì)心，中間2個(gè)浮動(dòng)窗口很寬，對(duì)應(yīng)像素累計(jì)曲線中間2個(gè)較寬的波峰，兩側(cè)很窄的浮動(dòng)窗口對(duì)應(yīng)兩側(cè)的很窄的波峰。

從蕾期（圖5b）棉花原圖中可以看出，由于棉花的長勢(shì)不均，左數(shù)第四行棉花長勢(shì)很弱，所以在ROI區(qū)域內(nèi)的像素累計(jì)值曲線中的左數(shù)第四個(gè)波峰很窄，其余的波峰都很寬，但所有波峰都滿足篩選條件，左數(shù)第四個(gè)浮動(dòng)窗口非常窄，其寬度與左數(shù)第四個(gè)波峰寬度相同，其余的浮動(dòng)窗口都很寬。

從花鈴期（圖5c）棉花原圖中可以看出花鈴期的棉花植株較大，由于枝葉沉重，行間棉花的枝葉交錯(cuò)造成行間空隙不明顯，并且棉花的葉片朝向不同，枝葉松散并且有零星花朵。所以圖中的波形變化幅度小，波動(dòng)頻率高，且左數(shù)第三行棉花對(duì)應(yīng)了2個(gè)波峰。這2個(gè)波峰都滿足篩選條件，左數(shù)第三行棉花對(duì)應(yīng)了2個(gè)浮動(dòng)窗口，即左數(shù)第3、4個(gè)浮動(dòng)窗口。依據(jù)圖中每個(gè)浮動(dòng)窗口內(nèi)的灰度質(zhì)心點(diǎn)構(gòu)建的目標(biāo)窗口，可以看出，左數(shù)的第3、4個(gè)目標(biāo)窗口實(shí)際對(duì)應(yīng)的是同一行棉花，即左數(shù)第三行棉花，由于這兩個(gè)目標(biāo)窗口有重疊，依據(jù)在2.2的步驟，2個(gè)窗口被合并成為一個(gè)目標(biāo)窗口出現(xiàn)在檢測(cè)結(jié)果中。

本文對(duì)3個(gè)生長期的棉花視頻圖像進(jìn)行行數(shù)檢測(cè)（表1），隨著棉花植株的生長，葉片向周圍逐漸伸展變得松散，行內(nèi)棉花葉片的空隙變大，并且行間的空隙逐漸減小，使得行間空隙不清晰，但識(shí)別正確率均高于85%。

表1 不同生長期棉花數(shù)行算法的性能評(píng)估

所以隨著棉花的長大，檢測(cè)效果變差。不同生長時(shí)期的棉花植株大小形狀不同，并且隨著植株的成長存在長勢(shì)不均的現(xiàn)象，同一行棉花植株從不同角度得到的輪廓和紋理等特征隨著視頻圖像的移動(dòng)而變化，為避免視角變換造成的影響，對(duì)每個(gè)浮動(dòng)窗口求其灰度質(zhì)心作為目標(biāo)特征進(jìn)行跟蹤，可以有效避免刮風(fēng)、光照變化等自然環(huán)境對(duì)目標(biāo)棉花行識(shí)別造成的影響。棉花植株從苗期生長到花鈴期，其棉花行的平均寬度從40個(gè)像素到100像素，測(cè)試結(jié)果為將目標(biāo)窗口設(shè)定成64×64像素能夠很好地進(jìn)行跟蹤，對(duì)于花鈴期生長松散的棉花植株，可以有效避免一行棉花被識(shí)別成2個(gè)目標(biāo)的情況。同時(shí)將前后幀目標(biāo)窗口通過重疊率進(jìn)行關(guān)聯(lián)，可有效減少由于刮風(fēng)造成的棉花植株晃動(dòng)對(duì)視頻中棉花行跟蹤造成的影響。

3.1.2 不同光照條件下的識(shí)別

圖6為不同光照（順光、逆光、陽光直射和側(cè)光）條件下的棉花行檢測(cè)效果。從圖中可以看出，針對(duì)不同的光照條件，檢測(cè)效果不同，但是檢測(cè)結(jié)果均準(zhǔn)確。由于新疆海拔高，陽光強(qiáng)烈，光照條件對(duì)視覺導(dǎo)航的影響較大，葉片反光形成的亮度不均勻也對(duì)目標(biāo)的識(shí)別造成較大干擾。順光的情況，由于行間薄膜反光強(qiáng)烈，棉花植株在薄膜的映襯下顏色偏暗，但棉花植株的綠色分量所占比例依然高于行間薄膜或土壤，所以沒有影響到的目標(biāo)窗口的檢測(cè)。逆光的情況，由于陽光從相機(jī)對(duì)面照射過來，圖像的上部分發(fā)白，ROI區(qū)域下方的棉花植株葉片綠色分量較上方要明顯，所以目標(biāo)窗口在ROI區(qū)域靠下的位置。中午陽光直射的情況，陽光從上方直射時(shí)，葉片反光發(fā)白，但是不影響檢測(cè)效果。陽光從側(cè)面照射的情況，這種光照條件下綠色強(qiáng)調(diào)的灰度圖中，棉花植株最明顯。

圖6 不同光照條件下的棉花行檢測(cè)效果

3.1.3 不同農(nóng)田環(huán)境下的識(shí)別

圖7為不同的農(nóng)田自然環(huán)境下的棉花行檢測(cè)效果，分別為在農(nóng)田中有雜物（水管）、少數(shù)疏于管理的棉田行間有枯草（新疆有一種菟絲子草漲勢(shì)兇猛，被砍斷后由于新疆日照嚴(yán)重，被曬干呈現(xiàn)黃色）、田端棉花倒伏和田端缺苗。從圖中可以看出，針對(duì)這幾種農(nóng)田常見的環(huán)境，檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確可靠。田間有雜物時(shí)，由于處理時(shí)強(qiáng)調(diào)綠色分量，黑色水管以行間枯草在強(qiáng)調(diào)綠色的灰度化中過程中被忽略，不會(huì)影響到后續(xù)的檢測(cè)。

圖7 不同農(nóng)田自然環(huán)境下的棉花行檢測(cè)效果

田端棉花長勢(shì)不均時(shí)，由于棉花行是平行種植，根據(jù)透視原理，棉花行在圖像中是向上收斂的。將ROI區(qū)域選取在縱軸的中間部分既可以避免圖像上方的棉花行傾斜度對(duì)垂直累計(jì)直方圖的波峰提取造成的干擾，給拍攝角度提供了一定的靈活度，從圖中看出，ROI區(qū)域的設(shè)置有效地避免圖像下方因田端棉花倒伏或缺苗而對(duì)目標(biāo)識(shí)別造成的影響。

3.2 目標(biāo)跟蹤

對(duì)當(dāng)前幀的每個(gè)目標(biāo)窗口遍歷上一幀所有目標(biāo)窗口，尋找最大重疊率且滿足閾值的目標(biāo)窗口，將二者進(jìn)行關(guān)聯(lián)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的跟蹤。

通過尋找前后幀最大重疊率目標(biāo)可以有效避免白噪聲的干擾，對(duì)于棉花行這種剛性、勻速移動(dòng)無遮擋目標(biāo)，在灰度變化及幾何畸變不大的情況下有較高的跟蹤精度。

由于視頻中的目標(biāo)與背景同時(shí)移動(dòng)，隨著植保車的橫移，不斷有已識(shí)別的目標(biāo)消失和新的目標(biāo)進(jìn)入，通過b判斷目標(biāo)窗口是否已關(guān)聯(lián)上，來判斷是否有目標(biāo)的更新，能夠快速地確定是否有新目標(biāo)的進(jìn)入。用目標(biāo)窗口關(guān)聯(lián)不上的幀數(shù)超過圖像坐標(biāo)系中可以覆蓋的最大目標(biāo)窗口個(gè)數(shù)（10個(gè)），判斷目標(biāo)在圖像中的消失，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，每幀圖像的平均處理時(shí)間為150 ms。

4 結(jié) 論

本文針對(duì)新疆特殊的棉花種植模式，提出一種在視頻圖像中對(duì)棉花行數(shù)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)計(jì)數(shù)的方法，作為植保車在棉花地田端橫移距離的依據(jù)。

1）采用2的方式將彩色圖像進(jìn)行灰度化，對(duì)灰度圖設(shè)定ROI區(qū)域，可以有效減少透視效果和田端缺苗的影響。再針對(duì)ROI區(qū)域內(nèi)灰度垂直累計(jì)值曲線尋找波峰，根據(jù)波峰的寬度，設(shè)定浮動(dòng)窗口確定目標(biāo)位置，可以準(zhǔn)確有效地對(duì)棉花行進(jìn)行定位。

2）將浮動(dòng)窗口的質(zhì)心作為目標(biāo)的特征點(diǎn)，由于灰度質(zhì)心作為一個(gè)像素點(diǎn)無法進(jìn)行跟蹤，對(duì)該質(zhì)心構(gòu)造64×64像素的目標(biāo)窗口，可有效避免由于刮風(fēng)造成的棉花植株晃動(dòng)對(duì)目標(biāo)識(shí)別造成的影響和花鈴期的棉花植株葉片松散造成的誤識(shí)別。通過判斷目標(biāo)窗口重疊率的方法關(guān)聯(lián)前后幀目標(biāo)，可以有效的對(duì)目標(biāo)位置進(jìn)行更新和排序。

通過試驗(yàn)證明，該方法對(duì)于不同生長期的棉花行數(shù)有較好的計(jì)數(shù)效果，對(duì)目標(biāo)（棉花行）的提取正確率在85%以上。對(duì)于棉花行的田端缺苗現(xiàn)象有較好的魯棒性，該算法為平行行種植的經(jīng)濟(jì)作物的農(nóng)田全覆蓋自動(dòng)視覺導(dǎo)航提供參考。

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Dynamic counting method of cotton rows in video based on centroid tracking

Liang Xihuizi1,3, Chen Bingqi1※, Li Minzan2, Wei Chaojie1, Yang Yanqiu1, Wang Jin1, Feng Jie1

(1.,,100083,; 2.,100083,; 3.,,832003,)

Pesticide spraying is one of the most important farm activities related to the protection of plants. The application of pesticides by unmanned aerial vehicles (UAV) can effectively avoid the harm caused by pesticides to human body, but the amount of pesticides is limited and it is difficult to locate the pesticides between flights. The unmanned navigation tractor with GNSS (global navigation satellite system) has realized the automatic navigation of planting and cotton harvesting in large area cotton field while could not work in cotton plant protection operation because the complex crop growth environment on site. Visual navigation vehicle can carry a large amount of pesticide, and its operation path is determined by the growth state of crops in the farmland avoiding crushing seedling. Therefore, it has great potential for the unmanned plant protection vehicle based on visual navigation in the field environment. Nowadays, sprayers mounted on tractors have being utilized in cotton protection in Xinjiang. The present studies for objects mainly focus on static images, and the dynamic detection of crop rows in video sequence is studied barely. Aiming at that, A plant protection unmanned vehicle was exploited, which can enhance and complement the intelligent agriculture. After the vehicle finish spraying in one cotton row, it will stop safely and accurately just at the edge of the proposed position. Subsequently, its 4 wheels will rotate 90° simultaneously, so as to ensure it can move in a vertical direction through the cotton rows; a camera on the opposite side can also be utilized to count the cotton rows and avoid repeated spraying. When the vehicle passes cotton rows preseted, its 4 wheels can simultaneously rotate 90°again along the same direction to prepare for the next spraying. Then a video-based dynamic count method for cotton rows is proposed to determine the interval distance of linear operation area in this paper. By tracking the centroids of cotton plant, the number of cotton rows could be counted in real time. Firstly, the color image from video became grayscale to emphasize information of cotton rows with prominent green component by calculation of 2--. Then, a region of interest (ROI) was set not only to reduce the calculation amount, but also to avoid the lacking of seedling in the end of cotton rows. Secondly, the vertical cumulative histogram of gray in ROI was solved and the histogram vs ROI width curve was obtained. The wave crests of the curve determined by two conditions were found, in which the width and the sharpness should be satisfied with threshold. Then a floating window was established to positioning the cotton row. Besides that, the grayscale centroids of each floating window were calculated, which represent the cotton rows where each one was located. Thirdly, a target window with the size of 65×65 was established for each centroid. With the growth of cotton, the branches and leaves intertwined in which situation, the gap between the 2 cotton rows became smaller, and the cotton leaves of one row were very loose. In this case, one cotton row might correspond to more than one target window. To avoiding the influences of the growth, the overlap rate was calculated between each 2 adjacent target windows. And the 2 target windows whose overlap rate meeting the condition (large than 0.1) should be merged together. It had been done until no overlapped rate meeting the conditions. Thus, each cotton row had been identified. For tracking, starting from the second frame, the overlap rate between each target window and other target windows from previous frame was judged, if it met the condition, the two target windows in the two successive frames were connected. Then the cotton row could be tracked. The test proved that the processing time of detecting cotton row was approximately 150 ms per frame, which satisfied the requirement of practical application for the cotton protection in the field.

machine vision; cotton; recognition; cotton field spray; lateral movement; counting row number

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.02.023

TP391.41

A

1002-6819(2019)-02-0175-08

2018-09-14

2019-01-05

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2017YFD0701000-2017YFD0701003）

梁習(xí)卉子，講師，在職博士生，主要從事圖像處理與機(jī)器視覺方面的研究。Email：liangxihuizi-lxhz@163. com

陳兵旗，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事圖像處理與機(jī)器視覺方面的研究。Email：fbcbq@163.com

梁習(xí)卉子，陳兵旗，李民贊，魏超杰，楊艷秋，王 進(jìn)，馮 杰. 質(zhì)心跟蹤視頻棉花行數(shù)動(dòng)態(tài)計(jì)數(shù)方法[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2019，35(2)：175－182. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.02.023 http://www.tcsae.org

Liang Xihuizi, Chen Bingqi, Li Minzan, Wei Chaojie, Yang Yanqiu, Wang Jin, Feng Jie. Dynamic counting method of cotton rows in video based on centroid tracking[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(2): 175－182. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.02.023 http://www.tcsae.org