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(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。空間信息是以圖像來(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(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)的軟件開發(fā)。
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