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高速摄像技术在我国农业机械领域的应用

发布时间:2022-08-11 点击次数:167
  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*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相比的,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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