高速攝像技術(shù)在我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用
引言 ：
高速攝像技術(shù)是綜合利用光、機(jī)、電、光電傳 感器與計(jì)算機(jī)等一系列技術(shù)，曝光時(shí)間在千分之一 秒到幾十萬(wàn)分之一秒之間的特殊攝影，能夠捕捉到 稍縱即逝、人眼來(lái)不及看清的鏡頭，是一種記錄高 速運(yùn)動(dòng)過(guò)程的某一瞬時(shí)狀態(tài)或全部歷程的有效手 段。目前，其已廣泛應(yīng)用于科研、航空航天、體育、 電影、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。它具有精度高、速度快、 機(jī)動(dòng)靈活和拍攝的畫(huà)幅大、信息量多等優(yōu)點(diǎn)，能夠 獲得大量、準(zhǔn)確的時(shí)空信息，為研究高速運(yùn)動(dòng)的現(xiàn) 象和運(yùn)動(dòng)規(guī)律提供了可靠的依據(jù)。
高速攝像技術(shù)的前身是高速攝影，它是攝影技 術(shù)的一個(gè)專(zhuān)門(mén)分支，起源于 1884 年布拉格物理研 究所馬赫教授用電火花照明拍攝飛行的彈丸。早期 的高速攝影由高速攝像機(jī)和膠片判讀系統(tǒng)組成，采 用連續(xù)光作為光源，用高速攝影機(jī)將某一運(yùn)動(dòng)過(guò)程 記錄在按時(shí)間發(fā)展為順序的一幅幅膠片上，通過(guò)慢 速放映，是再現(xiàn)被記錄過(guò)程的運(yùn)動(dòng)或變形過(guò)程的方 法�？臻g信息是以圖像來(lái)表現(xiàn)的，而時(shí)間信息是 以攝影頻率或曝光時(shí)間來(lái)說(shuō)明的。對(duì)高速攝影記 錄的圖片的后期定量分析是在膠片判讀儀上進(jìn)行 的。傳統(tǒng)的膠片判讀系統(tǒng)需要沖洗設(shè)備、放映設(shè)備 等，機(jī)械結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。
高速攝像系統(tǒng)作為一種全新的高速瞬發(fā)過(guò)程的 測(cè)試記錄手段，出現(xiàn)于 20 世紀(jì) 70 年代，初期的高 速攝像系統(tǒng)無(wú)論攝像速率還是攝像分辨率都比較低，難以與膠片式高速攝影機(jī)相比。隨著電子技術(shù)、 計(jì)算機(jī)技術(shù)、微加工技術(shù)以及新型傳感器和大容量 存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展，高速攝像系統(tǒng)的性能得到大幅度 提高。特別是現(xiàn)代高速 CCD 攝像機(jī)，通過(guò) CCD 攝像 頭直接將模擬圖像轉(zhuǎn)化為數(shù)字化圖像，再存儲(chǔ)到磁 盤(pán)或存儲(chǔ)模塊，同時(shí)由監(jiān)視器顯示，工作結(jié)束后即 可及時(shí)地慢速重放，這樣可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)拍攝中存在 的問(wèn)題并及時(shí)處理，減少了無(wú)謂的浪費(fèi)，節(jié)約實(shí)驗(yàn) 所需要的時(shí)間及人力、物力。
我國(guó)的高速攝影技術(shù)起步于 20 世紀(jì) 50 年代后 期，其應(yīng)用至今已從軍事擴(kuò)展到民用，從工業(yè)到醫(yī) 學(xué)生物，從宏觀機(jī)械運(yùn)動(dòng)到微觀機(jī)制，并已取得了 實(shí)質(zhì)性的科學(xué)成果，目前高速攝像技術(shù)已逐步開(kāi)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(duì)小麥種子運(yùn)動(dòng)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(cè)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(cè)，其可以彌補(bǔ)排種過(guò)程中光電傳感器無(wú)法判 斷種子破碎而產(chǎn)生檢測(cè)誤差的缺陷，提高檢測(cè)結(jié)果 的準(zhǔn)確性和可信度，而且可以通過(guò)對(duì)高速攝影拍攝 的圖片進(jìn)行再現(xiàn)觀察與分析，真實(shí)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(duì)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(yùn)動(dòng)，對(duì)用肉眼無(wú)法觀 察的高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程，借助高速 CCD 攝像系統(tǒng)，結(jié)合計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)、運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)和跟蹤算 法研究粉碎玉米秸稈后秸稈拋撒的運(yùn)動(dòng)軌跡，從而 觀察高速運(yùn)動(dòng)過(guò)程中玉米秸稈的拋撒過(guò)程，為機(jī)具 的設(shè)計(jì)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(jì)。
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(duì)作物的喂 入、脫粒過(guò)程、脫粒后物料運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行觀察和分 析，并利用判讀系統(tǒng)對(duì)高速攝影膠片進(jìn)行事后定量 分析計(jì)算，得到籽粒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及運(yùn)動(dòng)軌跡，分析 作物在脫粒裝置內(nèi)不同位置時(shí)的受力特點(diǎn)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(yàn)中 也利用到高速攝影技術(shù)，觀察清選過(guò)程，分析清選 機(jī)理及物料運(yùn)動(dòng)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(duì)人工砍切過(guò)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(jì)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(yàn)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(duì)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(duì)農(nóng)作物秸稈絲化過(guò) 程進(jìn)行觀察，對(duì)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(shí)期也遇到不同的困難和問(wèn)題。 在膠片式高速攝影系統(tǒng)占主導(dǎo)時(shí)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(duì)快速變化過(guò)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(gè)較難解決的問(wèn)題,尤其是在目標(biāo)運(yùn)動(dòng) 速度快，記錄時(shí)間短的情況下問(wèn)題更為突出；
三是 膠片處理過(guò)程繁瑣、費(fèi)時(shí)，需在拍攝膠片沖洗后， 才能對(duì)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(zhuān)門(mén)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(yùn)動(dòng)參數(shù),由此不可避免地存在儀器誤 差、觀察者誤差和測(cè)量環(huán)境的誤差，這樣會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn) 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(gè)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(shí)期，高速 攝像系統(tǒng)主要以計(jì)算機(jī)為核心，實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字化， 為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化創(chuàng)造了條件，不僅拍攝速度、存儲(chǔ)速 度與存儲(chǔ)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(duì)圖像信息處理的功能，可實(shí)現(xiàn)在弱 照度下的拍攝，并方便地實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)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(guò)試拍片 沖洗而直接通過(guò)電腦屏幕檢查成像質(zhì)量，操作簡(jiǎn)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(diǎn)陣成像質(zhì)量等因素的影響。這些優(yōu) 點(diǎn)都是早期的膠片攝影機(jī)所無(wú)法比擬的，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(diǎn)的目標(biāo)識(shí)別與提取有待深入地探討。
3 應(yīng)用存在的問(wèn)題和發(fā)展趨勢(shì)
高速攝像技術(shù)能夠記錄下高速運(yùn)動(dòng)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(wèn)題：
一是農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)對(duì)象是 生物體，不同時(shí)期和不同時(shí)間短期作業(yè)對(duì)象的不一 致性往往引起試驗(yàn)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(duì)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(huì)伴有大量塵土或作物碎屑，以及 機(jī)具震動(dòng)等因素直接影響試驗(yàn)的結(jié)果；
三是所拍攝 圖片中的對(duì)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(duì)目標(biāo)的識(shí)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(shí)所要求的存儲(chǔ)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(duì)工作對(duì)象拍攝時(shí)間有 所限制；
六是現(xiàn)有高速攝像系統(tǒng)售價(jià)較高，而農(nóng)業(yè) 領(lǐng)域的研究經(jīng)費(fèi)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(yǔ)
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(jì)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(huì)越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域。未來(lái)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(yùn)動(dòng)規(guī)律，對(duì)理論分 析的結(jié)果進(jìn)行分析和驗(yàn)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(duì)作業(yè)對(duì)象的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行目標(biāo)的識(shí) 別和跟蹤，確定或調(diào)整工作參數(shù)；
四是進(jìn)行對(duì)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(kāi)發(fā)。
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