高速攝像技術在我國農業(yè)機械領域的應用
引言 ：
高速攝像技術是綜合利用光、機、電、光電傳 感器與計算機等一系列技術，曝光時間在千分之一 秒到幾十萬分之一秒之間的特殊攝影，能夠捕捉到 稍縱即逝、人眼來不及看清的鏡頭，是一種記錄高 速運動過程的某一瞬時狀態(tài)或全部歷程的有效手 段。目前，其已廣泛應用于科研、航空航天、體育、 電影、工業(yè)、農業(yè)等領域。它具有精度高、速度快、 機動靈活和拍攝的畫幅大、信息量多等優(yōu)點，能夠 獲得大量、準確的時空信息，為研究高速運動的現 象和運動規(guī)律提供了可靠的依據。
高速攝像技術的前身是高速攝影，它是攝影技 術的一個專門分支，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，用高速攝影機將某一運動過程 記錄在按時間發(fā)展為順序的一幅幅膠片上，通過慢 速放映，是再現被記錄過程的運動或變形過程的方 法�？臻g信息是以圖像來表現的，而時間信息是 以攝影頻率或曝光時間來說明的。對高速攝影記 錄的圖片的后期定量分析是在膠片判讀儀上進行 的。傳統(tǒng)的膠片判讀系統(tǒng)需要沖洗設備、放映設備 等，機械結構比較復雜。
高速攝像系統(tǒng)作為一種全新的高速瞬發(fā)過程的 測試記錄手段，出現于 20 世紀 70 年代，初期的高 速攝像系統(tǒng)無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相比。隨著電子技術、 計算機技術、微加工技術以及新型傳感器和大容量 存儲技術的發(fā)展，高速攝像系統(tǒng)的性能得到大幅度 提高。特別是現代高速 CCD 攝像機，通過 CCD 攝像 頭直接將模擬圖像轉化為數字化圖像，再存儲到磁 盤或存儲模塊，同時由監(jiān)視器顯示，工作結束后即 可及時地慢速重放，這樣可以及時發(fā)現拍攝中存在 的問題并及時處理，減少了無謂的浪費，節(jié)約實驗 所需要的時間及人力、物力。
我國的高速攝影技術起步于 20 世紀 50 年代后 期，其應用至今已從軍事擴展到民用，從工業(yè)到醫(yī) 學生物，從宏觀機械運動到微觀機制，并已取得了 實質性的科學成果，目前高速攝像技術已逐步開始 應用于農業(yè)機械與裝備的研究。
1 在農業(yè)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(yè)機械化的重要環(huán)節(jié)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(tài)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 攝像系統(tǒng)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 攝像系統(tǒng)，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、脫粒后物料運動規(guī)律進行觀察和分 析，并利用判讀系統(tǒng)對高速攝影膠片進行事后定量 分析計算，得到籽粒的運動狀態(tài)及運動軌跡，分析 作物在脫粒裝置內不同位置時的受力特點和速度變 化規(guī)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， 小型懸掛谷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(guī)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 在其它方面的應用 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(yè)機械領域 中的應用逐漸廣泛。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)占主導時期，存在著以 下明顯不足：
一是操作使用復雜,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(fā)事件的同步控制是膠片式高 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，需在拍攝膠片沖洗后， 才能對圖像進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，然后人工定位目標， 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(huán)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，并且工 作量大。所以，高速攝影技術的應用從多個方面受 到一定的限制。 而目前的 CCD 高速攝像系統(tǒng)占主導時期，高速 攝像系統(tǒng)主要以計算機為核心，實現了全數字化， 為實現自動化創(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，并方便地實現實時觀察與記錄、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)，縮短了數據處理周期，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(yōu) 點都是早期的膠片攝影機所無法比擬的，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(fā)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(tài)或全部，具有廣闊的應用前景。但由于農 業(yè)機械的特殊性，導致在農業(yè)機械領域的廣泛推廣 使用方面仍存在著問題：
一是農業(yè)機械作業(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果的精度降低；
二是農業(yè)機械 工作狀態(tài)通常在室外作業(yè)，借助高速攝像技術對其 作業(yè)的狀態(tài)進行觀察與分析，其農業(yè)環(huán)境復雜，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，引起拍攝圖片的復雜化，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；
五是現有高速攝像系統(tǒng)對工作對象拍攝時間有 所限制；
六是現有高速攝像系統(tǒng)售價較高，而農業(yè) 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(yè)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(fā)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于農業(yè)機械領域。未來高速 攝像技術在農業(yè)機械領域的應用研究主要體現在以 下幾方面：
一是利用高速攝影像技術準確的觀察和 分析農業(yè)機械主要工作部件的運動規(guī)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(yè)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(yè)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(fā)。
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