基于机器视觉技术的食用菌生产应用概况.pdf

随着人口增长与土地资源减少间矛盾越来越深 农业 改革迫在眉睫 精准农业根据土壤肥力与作物生长状况的 不同 高效利用各类农业资源 进行差异化的作物投入 对 实现农产品优质 高产 节本增效等方面均有积极的作用 为我国农业改革指明了方向 精准农业的核心在于精准数 据的驱动 机器视觉技术能为作物生长情况提供更详细 更精准的信息 基于机器视觉技术的农业设施代替人工是 大势所趋 食用菌味道可口 营养丰富 是一种重要的养生 保健绿色食品 中国是食用菌生产大国 2019年全国食用 菌总产量3933 87万t 同比增长3 8 增速位居全球首 位 在农业中地位举足轻重 目前食用菌生产存在环境复 杂 生长周期短 不易监控且长期依赖人工等问题 因此食 用菌精准化生产对我国该产业发展具有重要的意义 目前 机器视觉技术已广泛应用于食用菌生产中 在食用菌生长 分析 食用菌质量分级及检测 食用菌自动采摘系统 食用 菌机械导航方面均有突出表现 1 机器视觉技术 机器视觉技术 1 是人工智能的一个分支 主要功能是 利用机器模拟人的视觉认知功能 通过对物体图像的获 取 运用计算机完成各类情况的分析和判断 机器视觉技 术具有速度快 精度高 稳定性好等优点 通过使用机器 替代人工的生产方式提高生产效率 实现农业的精准控 制 适用于大部分农业生产 三维机器视觉技术是机器视 觉技术的一个重要分支 利用三维传感器采集目标物体 的表面信息 以点云 网格 体素和多视角图片等形式表 示 最大程度地保留采集物体的特征信息 保留程度取决 于传感器的分辨率 常用的传感器有雷达 2 结构光相机 3 和声呐 4 等 以此为基础的三维机器视觉处理技术通过分 析物体的三维模型 获取目标的特征信息 根据特征信息 实现项目的需求 2 机器视觉技术在食用菌生产中的应用 2 1 食用菌生长分析 目前中国食用菌品种大多从国外引进 拥有自主知 识产权的品种稀缺 进行食用菌品种研发需分析食用菌 的生长环境 再移植到人工环境中监测食用菌的生长 建 立食用菌生长特征数据库 进而分析最优生长环境 在食 卢闯 1 马世宇 2 杨镇 2 1 辽宁省农业科学院 辽宁沈阳 110161 2 葫芦岛农函大玄宇食用菌野驯繁育有限公司 辽宁省食用菌秸秆栽培及 资源利用重点实验室 辽宁葫芦岛 125100 摘 要 随着农业智能化生产需求的不断提升 机器视觉技术已成为农业智能化的一项关键技术 机器视觉技术由 于准确性和高扩展性等特点 广泛应用在农业信息采集与分析等方面 该文介绍了机器视觉技术在食用菌生长分 析 质量检测与分级 自动采摘 机械导航中的应用情况 针对目前食用菌生产中尚未解决的问题 分析已有机器视 觉技术的不足 论述了三维机器视觉技术的可行性 关键词 机器视觉技术 食用菌 生产应用 中图分类号 S646 文献标识码 A 文章编号 2095 0896 2022 10 025 02 LU Chuang et al Liaoning Academy of Agricultural Sciences Shenyang Liaoning 110161 Abstract With the increasing demand for agricultural intelligent production machine vision technology has become a key technology of agricultural intelligence 3D machine vision technology is widely used in agricultural ination collection and analysis due to its accuracy and high scalability This paper introduced the application of machine vision technology in growth analysis quality inspection and grading automatic picking and mechanical navigation of edible fungi Aiming at the unsolved problems in the production of edible fungi the shortcomings of the existing machine vision technology were analyzed and the feasibility of 3D vision technology was discussed Key words Machine vision technology Edible fungus Production application A pplication of Edible Fungi Production Based on Machine Vision Technology 基于机器视觉技术的食用菌生产应用概况 园艺与种苗 Horticulture Seed2022 42 10 25 26 29 doi 10 16530 21 1574 s 2022 10 011 基金项目 辽宁省科技厅重点研发计划项目 2020JH2 10200013 中央引导地方科技发展专项资金计划项目 2021JH6 10500133 作者简介 卢闯 1980 男 硕士 副研究员 研究方向 农业信息技术研究 收稿日期 2022 02 22 园艺与种苗 2022年 用菌形成子实体前 人眼很难观测菌丝的生长 食用菌形 成子实体后 子实体形态变化较快 人工测量需花费大量 的人力物力且干扰食用菌的生长 而机器视觉技术可代 替人工完成食用菌的生长分析 薛雨 5 利用传统阈值分割 算法分割出食用菌区域 提取食用菌菌盖直径 菌柄直 径 菌柄高度等 同时使用传感器对食用菌生长环境进行 监测 根据食用菌的图像特征调节生长环境 林楠等 6 采 用Retinex算法去除光照干扰 提出2种改进的颜色空间 量化方案 在HSV颜色空间内通过形态特征参数融合进 行特征提取 实现食用菌的识别工作 进而分析食用菌的 生长过程 2 2 食用菌质量检测和分级 生长环境和人工因素造成食用菌品质差异较大 人 工分拣费时费力 现有产线仅根据大小来判断食用菌的 等级 不能实现食用菌品质的严格划分 基于机器视觉技 术的食用菌质量检测通过标定对食用菌进行非接触式测 量 利用食用菌形态特征判断品质 实现食用菌的质量检 测和分级 Chen HH等 7 在2004年研发的基于机器视觉 技术的香菇大小自动分级系统 使用传统图像算法消除 香菇图像的色差 通过计算菌盖面积与周长评判香菇等 级 实现了香菇3类大小的分级及劣质香菇的筛选 2 3 食用菌自动采摘系统 现有自动采摘系统采用双目或多目视觉 即根据2 个或多个摄像头获取的图像计算目标物体空间信息 将 信息传递至机械手或其他机械设备进行采摘 中国于 2009年拥有了第一台双目视觉黄瓜采摘机器人 8 该机器 人利用红外图像从图像中分割出黄瓜的特征信息 通过 双目图像信息差异计算分析黄瓜的空间信息 实现自动 采摘 王晓丽等 9 研发的食用菌自动采摘系统同样采用了 视觉定位 利用柔索传动降低食用菌受损的概率 在保证 食用菌果实完整的前提下可实现精准采摘 10 采收时不能 留茬过高 避免喷水后腐烂 柔索传动并不能从本质上解 决问题 2 4 食用菌机械导航 机械导航是实现机器人定位功能的基础 为机器人 提供复杂工作空间的位置信息 机械导航技术依赖SLAM 同步定位与地图构建 技术 场景识别与定位是SLAM的 基础 近些年 基于三维机器视觉的大场景语义分割和实 例分割技术逐渐兴起 2019年牛津大学的杨波等 11 提出的 新型3D点云实例分割网络 分析食用菌状态的同时与机 器人进行交互 告知机器人工作空间的位置信息 自主完 成施肥 浇水 喷洒农药 祛除感染菌 12 和采摘等工作 3 目前存在的问题 3 1 检测的稳定性 目前基于机器视觉技术的食用菌生产采样大多使用 二维图像 二维图像存在一些局限性 使得采集的食用菌 图像中包含的信息与特征并不稳定 食用菌生长环境通 常较为昏暗 采集图像时进行补光易对食用菌生长造成 干扰 昏暗条件下很难采集到清晰 特征分明的图像 食 用菌生长姿态多变 菌盖的朝向会随菌柄生长而改变 无 法保证能够时刻正面采集菌盖图像 采集菌盖侧面图像 会对计算结果造成一定影响 食用菌存在密集生长特性 菌盖间存在遮挡 阴影等特征 无论从何方向采集食用菌 二维图像均无法完整采集到所有菌盖的分界面 这使得 菌盖的分割与识别工作存在不确定性 3 2 检测的准确性 目前基于机器视觉技术的食用菌生产算法多采用传 统视觉算法 传统算法由于应对复杂情况时鲁棒性较差 易导致试验结果存在波动 食用菌姿态多变 传统算法通 过计算图像梯度 分割连通域等方式提取食用菌菌盖 在 食用菌存在堆叠或重叠程度较高时容易错误分割菌盖 传统算法通过双目标定计算获取食用菌的空间信息 标 定精度不高导致食用菌形态信息精度低 在食用菌定位 及分析工作中易出现偏差 食用菌生长速度快且生长密 集 传统算法通过提取菌盖后使用菌盖质心或通过轮廓 匹配追踪菌盖生长信息 但食用菌不同菌盖相似度较高 密集情况下容易追踪失败 错误计算生长信息 4 今后的发展趋势 随着硬件和算法的进步 三维机器视觉技术的计算 速度在不断加快 今后基于机器视觉技术的食用菌生产 技术应在以下几个方面进一步进行研究 4 1 提高视觉识别的稳定性 主动三维机器视觉直接采集食用菌点云模型 与二 维图像不同 点云模型包含采集物体的所有空间信息 通 过对食用菌点云模型进行三维重建可以有效解决食用菌 存在阴影 遮挡 二维视觉中对比度低 食用菌姿态复杂 等问题 4 2 提高视觉识别的准确性 深度学习算法是机器学习领域中一个新的研究方 向 作为深层人工神经网络 其鲁棒性远超相关技术 三 维机器视觉利用深度学习算法准确识别分割整株食用 菌 提高测量准确率的同时与机械臂等机器直接交互 在 自动采摘或其他任务中精准完成目标 4 3 实现食用菌产业自动化 利用机器视觉技术识别结果开发食用菌工厂自动化 生产技术 包括驯化 大规模繁育 自动采摘 自动分级和 运输出厂 可提高食用菌产量 降低种植和采摘损耗比 科学分销食用菌 实现收益最大化 5 结语 机器视觉技术在农业中的应用为精细农业和农业生 产自动化奠定了基础 有助于解放劳动力 提高农产品的 下转第29页 26 10期 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 品质 机器视觉作为精准农业的重要支撑 已应用于食用 菌生产中 三维机器视觉技术的出现更是推进了食用菌 生产技术的发展 中国作为食用菌大国 精准农业在降低 成本 农产品可控化等方面均有积极的意义和作用 机器 视觉是精准农业的 眼睛 大力推广机器视觉在农业中 的应用 有助于我国精准农业水平的提高 实现科技强 农 科技富农的宏伟目标 参考文献 1 雄卡 图像处理 分析与机器视觉 M 北京 清华大学出版社 2011 2 陆祖康 臧侃 激光雷达三维成像系统的研究 J 浙江大学学报 工 学版 1999 4 84 87 3 张广军 王红 赵慧洁 等 结构光三维视觉系统研究 J 航空学报 1999 4 78 80 4 何学明 水下机器人声纳三维成像技术 J 公安海警学院学报 2012 11 3 7 9 12 5 薛雨 基于机器视觉技术的食用菌成长过程监控系统研究 D 郑州 华北水利水电大学 2018 6 林楠 王娜 李卓识 等 基于机器视觉的野生食用菌特征提取识别 研究 J 中国农机化学报 2020 41 5 111 119 7 CHENHH TINGCH Thedevelopmentofamachinevisionsystemfor shiitakegrading J JournalofFoodQuality 2004 27 5 352 365 8 袁挺 李伟 谭豫之 等 温室环境下黄瓜采摘机器人信息获取 J 农 业机械学报 2009 40 10 151 155 9 王晓丽 黄大志 赵伟名 等 基于柔索传动的香菇分拣机械手研 究 J 机床与液压 2018 46 11 21 26 10 李增宝 几种常见菇类食用菌采摘时间与方法 J 林业勘查设计 2011 2 88 11 YANGB WANGJ CLARKR et al Learningobjectboundingboxes for3Dinstancesegmentationonpointclouds J NeurIPSSpotlight 2019 12 王振波 食用菌病虫害防治 J 农业知识 2011 12 21 22 责任编辑 成丽娜 别控制在23 25 8 10 草莓果实处于膨大期时 白天 夜晚分别控制在23 25 6 8 收获草莓的 阶段 白天 夜晚分别控制在20 23 7 10 草莓 覆膜后某些阶段温湿度的适宜条件与葡萄温湿度要求有 所差异 此种情况下控制在葡萄的生长温湿度条件即可 11 3 5 2 水肥管理 草莓属于浅根植物 喜温 喜肥 耐旱能 力差 定植前需要施足基肥 且在棚膜覆盖后追肥2 3 次 分别在植株快速生长期 花芽分化期 开花及果实膨 大期 主要选择速效性的磷钾肥 氮肥尽量少施或者不 施 追肥每次施入量120kg hm 2 少量多施 如果叶面追 肥 包括0 2 左右的磷酸二氢钾等 效果更佳 温室内葡 萄 草莓立体栽培的模式下 植株密度大 对空气中二氧 化碳的消耗多 因此需要适当补充二氧化碳气肥 以提高 植株的光合效率 3 5 3 辅助授粉 冬季时温室内湿度条件大 日照时间短 对草莓的授粉不利 导致畸形果比例增加 直接造成产量 及品质的降低 因此在草莓处于开花期时结合天气实际 多通风 起到降低空气湿度的作用 除此之外 还可采取 人工辅助授粉的方式 草莓开花前5 6d在温室内放置蜜 蜂 密度为30箱 hm 2 左右 此期间温室内不要喷农药 3 5 4 植株整理与疏花疏果 草莓植株生长旺盛的时候 侧芽较多 也会长出部分的匍匐茎 需要及时摘除 为主 芽的开花 结果创造条件 有的草莓品种侧芽易发 尤其 要予以重视 草莓植株上的病残叶 枯老叶等 均要尽早 摘除 如果花果的密度过大 可适当疏花疏果 以促使养 分集中供应给保留下来的花果 保障其健壮生长 一般第 1 2 3花序上草莓果实的数量分别保留8 10 6 8 4 6个 3 6 病虫害防治 常发的病虫害有轮斑病 白粉病 蛇眼病 线虫病 芽 枯病 灰霉病 疫霉果腐病 蓟马 蚜虫 金针虫 螨类 甜菜 夜蛾 蛴螬 蚂蚁 蛞蝓 老鼠等 防治上 一是提前进行壮 苗 对白粉病 根腐病的预防比较有效 如果从外地调入 一定要确认来源以及当地病虫害发生情况 二是对病叶 虫害叶及时清除干净 降低大棚内病虫害的基数 三是强 化肥水管理 控制好大棚内的温湿度条件 适当补充二氧 化碳气肥等 四是针对不同的病虫害进行药剂防治 如白 粉病防治的有效药剂有10 世高水分散粒剂3000倍液 等 蚜虫等小害虫的防治药剂包括苦参碱 吡虫啉 啶虫 醚 阿维菌素等 或者在大棚内悬挂黄板等进行诱杀 参考文献 1 霍金宝 温室葡萄草莓立体栽培技术 J 中国农技推广 2009 25 2 30 31 2 秦清伟 朱晓丽 日光温室葡萄套种草莓高产栽培技术 J 农村科 技 2012 6 46 48 3 刘凤堂 张云君 日光温室葡萄与草莓轮作高效栽培技术 J 果农之 友 2011 9 15 4 吴海珍 郑永莲 许明富 葡萄日光温室栽培间作草莓技术 J 中国 果树 2003 1 36 37 5 吴晓云 程建军 高照全 日光温室棚架葡萄与草莓立体栽培关键 技术 J 农业工程技术 温室园艺 2014 2 44 50 6 徐全明 赵东凯 京郊温室葡萄与草莓立体栽培技术 J 北京农业 2012 28 24 25 7 齐廷文 马玉镇 温室葡萄草莓立体栽培技术 J 吉林蔬菜 2009 3 34 8 李平 葡萄间作草莓日光温室高产高效栽培 J 农业科技通讯 2004 12 15 9 李素华 温室葡萄草莓立体栽培技术 J 河北果树 2014 6 35 36 42 10 胡禧熙 鲁会玲 王迪 等 大庆市温室葡萄 草莓套种高效栽培 模式 J 北方园艺 2019 15 174 177 11 程建军 吴晓云 邓志峰 温室棚架葡萄与草莓立体栽培模式研究 J 北方园艺 2013 11 42 44 责任编辑 戚佳妮 张博 辽西地区温室葡萄与草莓立体栽培技术研究 上接第26页 29