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高速攝像技術在我國農業機械領域的應用

發布時間:2022-08-11 點擊次數:46
  我國的高速攝影技術起步於20世紀50年代後期,其應用至今已從*事擴展到民用,從工業到醫學生物,從宏觀機械運動到微觀機製,並已取得了實質性的科學成果,目前高速攝像技術已逐步開始應用於農業機械與裝備的研究。
 
  1在農業機械領域的研究與應用
 
  1.1在播種機械上的研究與應用播種機械是農業機械化的重要環節之一,高速攝像技術主要被應用在精密播種機和免耕播種鋸切防堵裝置上。在精密播種機的輸種管內,利用高速攝影技術對小麥種子運動狀態進行觀察和分析,以改進輸種管的結構;在精密排種器的性能檢測中,將高速攝像技術作為一種新的方法進行排種精度的檢測,其可以彌補排種過程中光電傳感器無法判斷種子破碎而產生檢測誤差的缺陷,提高檢測結果的準確性和可信度,而且可以通過對高速攝影拍攝的圖片進行再現觀察與分析,真實地反映精密排種器種子破碎特征和排種器的排種均勻性,為改善精密排種器性能提供了一條新途徑;在對免耕播種鋸切防堵裝置的研究中利用高速CCD攝像係統研究免耕播種機粉碎秸稈的拋撒運動,對用肉眼無法觀察的高速旋轉運動過程,借助高速CCD攝像係統,結合計算機圖像處理技術、運動目標檢測和跟蹤算法研究粉碎玉米秸稈後秸稈拋撒的運動軌跡,從而觀察高速運動過程中玉米秸稈的拋撒過程,為機具的設計提供一定的理論依據,以完善免耕播種機的性能設計。
 
  1.2在聯合收獲機械上的研究與應用目前,在聯合收獲機械上高速攝像的應用主要是在其脫粒裝置上。利用高速攝影技術對作物的喂入、脫粒過程、脫粒後物料運動規律進行觀察和分析,並利用判讀係統對高速攝影膠片進行事後定量分析計算,得到籽粒的運動狀態及運動軌跡,分析作物在脫粒裝置內不同位置時的受力特點和速度變化規律,在此基礎上揭示了脫粒裝置的脫粒機理,為脫粒裝置的參數確定提供理論依據。此外,小型懸掛穀物聯合收割機的清選裝置的研究試驗中也利用到高速攝影技術,觀察清選過程,分析清選機理及物料運動規律[11]。
 
  1.3在經濟作物收獲機械上的應用經濟作物主要是在甘蔗切割器研究上的應用,利用高速攝像技術對人工砍切過程進行分析研究,為進一步改進甘蔗根切割器的設計提供依據。在甘蔗螺旋扶起機構的理論研究中也利用了高速攝影試驗輔助虛擬仿真研究,為扶起攪龍的改進提供理論依據。
 
  1.4在其它方麵的應用高速攝像技術在土壤耕作機械和農產品加工機械的研究上也得到了應用。在耕作機械上,主要是對旋耕刀工作中的拋土情況進行觀察研究,從而提高耕作機械的工作性能和降低功耗;在農產品加工機械上,利用高速攝像技術對農作物秸稈絲化過程進行觀察,對秸稈絲化加工的機理進行分析。
 
  2高速攝影與高速攝像技術的比較分析
 
  文獻資料表明,高速攝像技術在農業機械領域中的應用逐漸廣泛。但隨著高速攝影(像)發展的不同時期也遇到不同的困難和問題。在膠片式高速攝影係統占主導時期,存在著以下明顯不足:
 
  一是操作使用複雜,攝影機膠片必須加速到預置頻率才能對快速變化過程進行正確記錄;
 
  二是攝影機與高速瞬發事件的同步控製是膠片式高速攝影機一個較難解決的問題,尤其是在目標運動速度快,記錄時間短的情況下問題更為突出;
 
  三是膠片處理過程繁瑣、費時,需在拍攝膠片衝洗後,才能對圖像進行判讀處理或重放顯示;
 
  四是由於高速攝影需要專門的高速攝影機和膠片分析儀,係統成本較高。此外,這種傳統方式的高速攝影係統大量使用的膠片判讀設備主要由光機部件構成,工作原理是用光學投影放大圖像,然後人工定位目標,獲得目標的運動參數,由此不可避免地存在儀器誤差、觀察者誤差和測量環境的誤差,這樣會對實驗數據的精確可靠性和準確性有一定的影響,並且工作量大。所以,高速攝影技術的應用從多個方麵受到一定的限製。而目前的CCD高速攝像係統占主導時期,高速攝像係統主要以計算機為核心,實現了全數字化,為實現自動化創造了條件,不僅拍攝速度、存儲速度與存儲容量均有大幅度提高,而且增加了圖像增強功能和多種對圖像信息處理的功能,可實現在弱照度下的拍攝,並方便地實現實時觀察與記錄、單幅顯示、逐格放映及連續放映,另外還免去膠片的衝洗環節,縮短了數據處理周期,不必通過試拍片衝洗而直接通過電腦屏幕檢查成像質量,操作簡單方便,避免了因膠片斷片、卡片以及曝光的參數設置不合理、點陣成像質量等因素的影響。這些優點都是早期的膠片攝影機所無法相比的,其已逐漸地取代了用膠片的高速攝影係統,有著廣泛的應用前景。但高速攝像技術所拍攝的圖片的序列圖像處理和特征點的目標識別與提取有待深入地探討。
 
  3應用存在的問題和發展趨勢
 
  高速攝像技術能夠記錄下高速運動物體的某一瞬間狀態或全部,具有廣闊的應用前景。但由於農業機械的特殊性,導致在農業機械領域的廣泛推廣使用方麵仍存在著問題:
 
  一是農業機械作業對象是生物體,不同時期和不同時間短期作業對象的不一致性往往引起試驗結果的精度降低;
 
  二是農業機械工作狀態通常在室外作業,借助高速攝像技術對其作業的狀態進行觀察與分析,其農業環境複雜,拍攝條件較差,常會伴有大量塵土或作物碎屑,以及機具震動等因素直接影響試驗的結果;
 
  三是所拍攝圖片中的對象較多,而生物體具有某些特征的相似性,引起拍攝圖片的複雜化,對目標的識別與提取的難度大大增加;
 
  四是盡管數字化高速攝像係統采集的頻率顯著提高,但與此同時所要求的存儲量大大增加,拍攝圖片的信息量大,圖像處理的難度增加;
 
  五是現有高速攝像係統對工作對象拍攝時間有所限製;
 
  六是現有高速攝像係統售價較高,而農業領域的研究經費又不是很充裕,這也為高速攝像的普遍應用設置了障礙。
 
  4結語
 
  雖然高速攝像技術在農業機械領域內還存在著一定的不足,但隨著高速攝影技術和計算機技術的發展,以及圖形處理技術的日益成熟,高速攝影技術會越來越廣泛地應用於農業機械領域。未來高速攝像技術在農業機械領域的應用研究主要體現在以下幾方麵:
 
  一是利用高速攝影像技術準確的觀察和分析農業機械主要工作部件的運動規律,對理論分析的結果進行分析和驗證;
 
  二是采用高速攝像技術揭示農業機械主要工作部件的工作機理;
 
  三是采用高速攝像技術對作業對象的運動軌跡進行目標的識別和跟蹤,確定或調整工作參數;
 
  四是進行對應用高速攝像技術所拍攝的圖像序列圖像處理技術的研究和相應的軟件開發。

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