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高速攝像技術(shù)在我國農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用

更新時間:2022-08-11 點擊次數(shù):1716
  我國的高速攝影技術(shù)起步于20世紀(jì)50年代后期,其應(yīng)用至今已從*事擴(kuò)展到民用,從工業(yè)到醫(yī)學(xué)生物,從宏觀機(jī)械運動到微觀機(jī)制,并已取得了實質(zhì)性的科學(xué)成果,目前高速攝像技術(shù)已逐步開始應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械與裝備的研究。
 
  1在農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域的研究與應(yīng)用
 
  1.1在播種機(jī)械上的研究與應(yīng)用播種機(jī)械是農(nóng)業(yè)機(jī)械化的重要環(huán)節(jié)之一,高速攝像技術(shù)主要被應(yīng)用在精密播種機(jī)和免耕播種鋸切防堵裝置上。在精密播種機(jī)的輸種管內(nèi),利用高速攝影技術(shù)對小麥種子運動狀態(tài)進(jìn)行觀察和分析,以改進(jìn)輸種管的結(jié)構(gòu);在精密排種器的性能檢測中,將高速攝像技術(shù)作為一種新的方法進(jìn)行排種精度的檢測,其可以彌補(bǔ)排種過程中光電傳感器無法判斷種子破碎而產(chǎn)生檢測誤差的缺陷,提高檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性和可信度,而且可以通過對高速攝影拍攝的圖片進(jìn)行再現(xiàn)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攝像系統(tǒng)研究免耕播種機(jī)粉碎秸稈的拋撒運動,對用肉眼無法觀察的高速旋轉(zhuǎn)運動過程,借助高速CCD攝像系統(tǒng),結(jié)合計算機(jī)圖像處理技術(shù)、運動目標(biāo)檢測和跟蹤算法研究粉碎玉米秸稈后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(jī)具的設(shè)計提供一定的理論依據(jù),以完善免耕播種機(jī)的性能設(shè)計。
 
  1.2在聯(lián)合收獲機(jī)械上的研究與應(yīng)用目前,在聯(lián)合收獲機(jī)械上高速攝像的應(yīng)用主要是在其脫粒裝置上。利用高速攝影技術(shù)對作物的喂入、脫粒過程、脫粒后物料運動規(guī)律進(jìn)行觀察和分析,并利用判讀系統(tǒng)對高速攝影膠片進(jìn)行事后定量分析計算,得到籽粒的運動狀態(tài)及運動軌跡,分析作物在脫粒裝置內(nèi)不同位置時的受力特點和速度變化規(guī)律,在此基礎(chǔ)上揭示了脫粒裝置的脫粒機(jī)理,為脫粒裝置的參數(shù)確定提供理論依據(jù)。此外,小型懸掛谷物聯(lián)合收割機(jī)的清選裝置的研究試驗中也利用到高速攝影技術(shù),觀察清選過程,分析清選機(jī)理及物料運動規(guī)律[11]。
 
  1.3在經(jīng)濟(jì)作物收獲機(jī)械上的應(yīng)用經(jīng)濟(jì)作物主要是在甘蔗切割器研究上的應(yīng)用,利用高速攝像技術(shù)對人工砍切過程進(jìn)行分析研究,為進(jìn)一步改進(jìn)甘蔗根切割器的設(shè)計提供依據(jù)。在甘蔗螺旋扶起機(jī)構(gòu)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(jìn)提供理論依據(jù)。
 
  1.4在其它方面的應(yīng)用高速攝像技術(shù)在土壤耕作機(jī)械和農(nóng)產(chǎn)品加工機(jī)械的研究上也得到了應(yīng)用。在耕作機(jī)械上,主要是對旋耕刀工作中的拋土情況進(jìn)行觀察研究,從而提高耕作機(jī)械的工作性能和降低功耗;在農(nóng)產(chǎn)品加工機(jī)械上,利用高速攝像技術(shù)對農(nóng)作物秸稈絲化過程進(jìn)行觀察,對秸稈絲化加工的機(jī)理進(jìn)行分析。
 
  2高速攝影與高速攝像技術(shù)的比較分析
 
  文獻(xiàn)資料表明,高速攝像技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域中的應(yīng)用逐漸廣泛。但隨著高速攝影(像)發(fā)展的不同時期也遇到不同的困難和問題。在膠片式高速攝影系統(tǒng)占主導(dǎo)時期,存在著以下明顯不足:
 
  一是操作使用復(fù)雜,攝影機(jī)膠片必須加速到預(yù)置頻率才能對快速變化過程進(jìn)行正確記錄;
 
  二是攝影機(jī)與高速瞬發(fā)事件的同步控制是膠片式高速攝影機(jī)一個較難解決的問題,尤其是在目標(biāo)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,需在拍攝膠片沖洗后,才能對圖像進(jìn)行判讀處理或重放顯示;
 
  四是由于高速攝影需要專門的高速攝影機(jī)和膠片分析儀,系統(tǒng)成本較高。此外,這種傳統(tǒng)方式的高速攝影系統(tǒng)大量使用的膠片判讀設(shè)備主要由光機(jī)部件構(gòu)成,工作原理是用光學(xué)投影放大圖像,然后人工定位目標(biāo),獲得目標(biāo)的運動參數(shù),由此不可避免地存在儀器誤差、觀察者誤差和測量環(huán)境的誤差,這樣會對實驗數(shù)據(jù)的精確可靠性和準(zhǔn)確性有一定的影響,并且工作量大。所以,高速攝影技術(shù)的應(yīng)用從多個方面受到一定的限制。而目前的CCD高速攝像系統(tǒng)占主導(dǎo)時期,高速攝像系統(tǒng)主要以計算機(jī)為核心,實現(xiàn)了全數(shù)字化,為實現(xiàn)自動化創(chuàng)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(qiáng)功能和多種對圖像信息處理的功能,可實現(xiàn)在弱照度下的拍攝,并方便地實現(xiàn)實時觀察與記錄、單幅顯示、逐格放映及連續(xù)放映,另外還免去膠片的沖洗環(huán)節(jié),縮短了數(shù)據(jù)處理周期,不必通過試拍片沖洗而直接通過電腦屏幕檢查成像質(zhì)量,操作簡單方便,避免了因膠片斷片、卡片以及曝光的參數(shù)設(shè)置不合理、點陣成像質(zhì)量等因素的影響。這些優(yōu)點都是早期的膠片攝影機(jī)所無法相比的,其已逐漸地取代了用膠片的高速攝影系統(tǒng),有著廣泛的應(yīng)用前景。但高速攝像技術(shù)所拍攝的圖片的序列圖像處理和特征點的目標(biāo)識別與提取有待深入地探討。
 
  3應(yīng)用存在的問題和發(fā)展趨勢
 
  高速攝像技術(shù)能夠記錄下高速運動物體的某一瞬間狀態(tài)或全部,具有廣闊的應(yīng)用前景。但由于農(nóng)業(yè)機(jī)械的特殊性,導(dǎo)致在農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域的廣泛推廣使用方面仍存在著問題:
 
  一是農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)對象是生物體,不同時期和不同時間短期作業(yè)對象的不一致性往往引起試驗結(jié)果的精度降低;
 
  二是農(nóng)業(yè)機(jī)械工作狀態(tài)通常在室外作業(yè),借助高速攝像技術(shù)對其作業(yè)的狀態(tài)進(jìn)行觀察與分析,其農(nóng)業(yè)環(huán)境復(fù)雜,拍攝條件較差,常會伴有大量塵土或作物碎屑,以及機(jī)具震動等因素直接影響試驗的結(jié)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,引起拍攝圖片的復(fù)雜化,對目標(biāo)的識別與提取的難度大大增加;
 
  四是盡管數(shù)字化高速攝像系統(tǒng)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(xiàn)有高速攝像系統(tǒng)對工作對象拍攝時間有所限制;
 
  六是現(xiàn)有高速攝像系統(tǒng)售價較高,而農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的研究經(jīng)費又不是很充裕,這也為高速攝像的普遍應(yīng)用設(shè)置了障礙。
 
  4結(jié)語
 
  雖然高速攝像技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域內(nèi)還存在著一定的不足,但隨著高速攝影技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,以及圖形處理技術(shù)的日益成熟,高速攝影技術(shù)會越來越廣泛地應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域。未來高速攝像技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用研究主要體現(xiàn)在以下幾方面:
 
  一是利用高速攝影像技術(shù)準(zhǔn)確的觀察和分析農(nóng)業(yè)機(jī)械主要工作部件的運動規(guī)律,對理論分析的結(jié)果進(jìn)行分析和驗證;
 
  二是采用高速攝像技術(shù)揭示農(nóng)業(yè)機(jī)械主要工作部件的工作機(jī)理;
 
  三是采用高速攝像技術(shù)對作業(yè)對象的運動軌跡進(jìn)行目標(biāo)的識別和跟蹤,確定或調(diào)整工作參數(shù);
 
  四是進(jìn)行對應(yīng)用高速攝像技術(shù)所拍攝的圖像序列圖像處理技術(shù)的研究和相應(yīng)的軟件開發(fā)。

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