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高速摄像技术在我国农业机械领域的应用

时间:2021-03-16     【转载】   来自:爱学术

引言 :

       高速摄像技术是综合利用光、机、电、光电传 感器与计算机等一系列技术,曝光时间在千分之一 秒到几十万分之一秒之间的特殊摄影,能够捕捉到 稍纵即逝、人眼来不及看清的镜头,是一种记录高 速运动过程的某一瞬时状态或全部历程的有效手 段。目前,其已广泛应用于科研、航空航天、体育、 电影、工业、农业等领域。它具有精度高、速度快、 机动灵活和拍摄的画幅大、信息量多等优点,能够 获得大量、准确的时空信息,为研究高速运动的现 象和运动规律提供了可靠的依据。 

       高速摄像技术的前身是高速摄影,它是摄影技 术的一个专门分支,起源于 1884 年布拉格物理研 究所马赫教授用电火花照明拍摄飞行的弹丸。早期 的高速摄影由高速摄像机和胶片判读系统组成,采 用连续光作为光源,用高速摄影机将某一运动过程 记录在按时间发展为顺序的一幅幅胶片上,通过慢 速放映,是再现被记录过程的运动或变形过程的方 法。空间信息是以图像来表现的,而时间信息是 以摄影频率或曝光时间来说明的。对高速摄影记 录的图片的后期定量分析是在胶片判读仪上进行 的。传统的胶片判读系统需要冲洗设备、放映设备 等,机械结构比较复杂。  

       高速摄像系统作为一种全新的高速瞬发过程的 测试记录手段,出现于 20 世纪 70 年代,初期的高 速摄像系统无论摄像速率还是摄像分辨率都比较低,难以与胶片式高速摄影机相比。随着电子技术、 计算机技术、微加工技术以及新型传感器和大容量 存储技术的发展,高速摄像系统的性能得到大幅度 提高。特别是现代高速 CCD 摄像机,通过 CCD 摄像 头直接将模拟图像转化为数字化图像,再存储到磁 盘或存储模块,同时由监视器显示,工作结束后即 可及时地慢速重放,这样可以及时发现拍摄中存在 的问题并及时处理,减少了无谓的浪费,节约实验 所需要的时间及人力、物力。 

       我国的高速摄影技术起步于 20 世纪 50 年代后 期,其应用至今已从军事扩展到民用,从工业到医 学生物,从宏观机械运动到微观机制,并已取得了 实质性的科学成果,目前高速摄像技术已逐步开始 应用于农业机械与装备的研究。


 1 在农业机械领域的研究与应用 


1.1 在播种机械上的研究与应用 播种机械是农业机械化的重要环节之一,高速 摄像技术主要被应用在精密播种机和免耕播种锯切 防堵装置上。在精密播种机的输种管内,利用高速 摄影技术对小麦种子运动状态进行观察和分析, 以改进输种管的结构;在精密排种器的性能检测中, 将高速摄像技术作为一种新的方法进行排种精度的 检测,其可以弥补排种过程中光电传感器无法判 断种子破碎而产生检测误差的缺陷,提高检测结果 的准确性和可信度,而且可以通过对高速摄影拍摄 的图片进行再现观察与分析,真实地反映精密排种 器种子破碎特征和排种器的排种均匀性,为改善精 密排种器性能提供了一条新途径;在对免耕播种锯 切防堵装置的研究中利用高速 CCD 摄像系统研究免 耕播种机粉碎秸秆的抛撒运动,对用肉眼无法观 察的高速旋转运动过程,借助高速 CCD 摄像系统,结合计算机图像处理技术、运动目标检测和跟踪算 法研究粉碎玉米秸秆后秸秆抛撒的运动轨迹,从而 观察高速运动过程中玉米秸秆的抛撒过程,为机具 的设计提供一定的理论依据,以完善免耕播种机的 性能设计。


 1.2 在联合收获机械上的研究与应用 目前,在联合收获机械上高速摄像的应用主要 是在其脱粒装置上。利用高速摄影技术对作物的喂 入、脱粒过程、脱粒后物料运动规律进行观察和分 析,并利用判读系统对高速摄影胶片进行事后定量 分析计算,得到籽粒的运动状态及运动轨迹,分析 作物在脱粒装置内不同位置时的受力特点和速度变 化规律,在此基础上揭示了脱粒装置的脱粒机理, 为脱粒装置的参数确定提供理论依据。此外, 小型悬挂谷物联合收割机的清选装置的研究试验中 也利用到高速摄影技术,观察清选过程,分析清选 机理及物料运动规律[11] 。 

1.3 在经济作物收获机械上的应用 经济作物主要是在甘蔗切割器研究上的应用, 利用高速摄像技术对人工砍切过程进行分析研究, 为进一步改进甘蔗根切割器的设计提供依据。在 甘蔗螺旋扶起机构的理论研究中也利用了高速摄影 试验辅助虚拟仿真研究,为扶起搅龙的改进提供理 论依据。


 1.4 在其它方面的应用 高速摄像技术在土壤耕作机械和农产品加工机 械的研究上也得到了应用。在耕作机械上,主要是 对旋耕刀工作中的抛土情况进行观察研究,从而 提高耕作机械的工作性能和降低功耗;在农产品加 工机械上,利用高速摄像技术对农作物秸秆丝化过 程进行观察,对秸秆丝化加工的机理进行分析。 


2 高速摄影与高速摄像技术的比较分析  

       文献资料表明,高速摄像技术在农业机械领域 中的应用逐渐广泛。但随着高速摄影(像)发展的 不同时期也遇到不同的困难和问题。 在胶片式高速摄影系统占主导时期,存在着以 下明显不足:

一是操作使用复杂,摄影机胶片必须加 速到预置频率才能对快速变化过程进行正确记录; 

二是摄影机与高速瞬发事件的同步控制是胶片式高 速摄影机一个较难解决的问题,尤其是在目标运动 速度快,记录时间短的情况下问题更为突出;

三是 胶片处理过程繁琐、费时,需在拍摄胶片冲洗后, 才能对图像进行判读处理或重放显示;

四是由于 高速摄影需要专门的高速摄影机和胶片分析仪,系 统成本较高。此外,这种传统方式的高速摄影系统大量使用的胶片判读设备主要由光机部件构成,工 作原理是用光学投影放大图像,然后人工定位目标, 获得目标的运动参数,由此不可避免地存在仪器误 差、观察者误差和测量环境的误差,这样会对实验 数据的精确可靠性和准确性有一定的影响,并且工 作量大。所以,高速摄影技术的应用从多个方面受 到一定的限制。 而目前的 CCD 高速摄像系统占主导时期,高速 摄像系统主要以计算机为核心,实现了全数字化, 为实现自动化创造了条件,不仅拍摄速度、存储速 度与存储容量均有大幅度提高,而且增加了图像增 强功能和多种对图像信息处理的功能,可实现在弱 照度下的拍摄,并方便地实现实时观察与记录、单 幅显示、逐格放映及连续放映,另外还免去胶片的 冲洗环节,缩短了数据处理周期,不必通过试拍片 冲洗而直接通过电脑屏幕检查成像质量,操作简单 方便,避免了因胶片断片、卡片以及曝光的参数设 置不合理、点阵成像质量等因素的影响。这些优 点都是早期的胶片摄影机所无法比拟的,其已逐渐 地取代了用胶片的高速摄影系统,有着广泛的应用 前景。但高速摄像技术所拍摄的图片的序列图像处 理和特征点的目标识别与提取有待深入地探讨。


 3 应用存在的问题和发展趋势  

       高速摄像技术能够记录下高速运动物体的某一 瞬间状态或全部,具有广阔的应用前景。但由于农 业机械的特殊性,导致在农业机械领域的广泛推广 使用方面仍存在着问题:

一是农业机械作业对象是 生物体,不同时期和不同时间短期作业对象的不一 致性往往引起试验结果的精度降低;

二是农业机械 工作状态通常在室外作业,借助高速摄像技术对其 作业的状态进行观察与分析,其农业环境复杂,拍 摄条件较差,常会伴有大量尘土或作物碎屑,以及 机具震动等因素直接影响试验的结果;

三是所拍摄 图片中的对象较多,而生物体具有某些特征的相似 性,引起拍摄图片的复杂化,对目标的识别与提取 的难度大大增加;

四是尽管数字化高速摄像系统采 集的频率显著提高,但与此同时所要求的存储量大 大增加,拍摄图片的信息量大,图像处理的难度增 加;

五是现有高速摄像系统对工作对象拍摄时间有 所限制;

六是现有高速摄像系统售价较高,而农业 领域的研究经费又不是很充裕,这也为高速摄像的 普遍应用设置了障碍。


 4 结语

       虽然高速摄像技术在农业机械领域内还存在着一定的不足,但随着高速摄影技术和计算机技术的 发展,以及图形处理技术的日益成熟,高速摄影技 术会越来越广泛地应用于农业机械领域。未来高速 摄像技术在农业机械领域的应用研究主要体现在以 下几方面:

一是利用高速摄影像技术准确的观察和 分析农业机械主要工作部件的运动规律,对理论分 析的结果进行分析和验证;

二是采用高速摄像技术 揭示农业机械主要工作部件的工作机理;

三是采用 高速摄像技术对作业对象的运动轨迹进行目标的识 别和跟踪,确定或调整工作参数;

四是进行对应用 高速摄像技术所拍摄的图像序列图像处理技术的研 究和相应的软件开发。

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