高速攝像技術(shù)在我國農(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(yùn)動過程的某一瞬時(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)動的現(xiàn)
象和運(yùn)動規(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)動過程
記錄在按時(shí)間發(fā)展為順序的一幅幅膠片上，通過慢
速放映，是再現(xiàn)被記錄過程的運(yùn)動或變形過程的方
法�？臻g信息是以圖像來表現(xiàn)的，而時(shí)間信息是
以攝影頻率或曝光時(shí)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(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)過程的
測試記錄手段，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 CCD 攝像
頭直接將模擬圖像轉(zhuǎn)化為數(shù)字化圖像，再存儲到磁
盤或存儲模塊，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
的問題并及時(shí)處理，減少了無謂的浪費(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)對小麥種子運(yùn)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(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，對用肉眼無法觀
察的高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動過程，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(yùn)動軌跡，從而
觀察高速運(yùn)動過程中玉米秸稈的拋撒過程，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)對作物的喂
入、脫粒過程、脫粒后物料運(yùn)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(jì)算，得到籽粒的運(yùn)動狀態(tài)及運(yùn)動軌跡，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)，觀察清選過程，分析清選
機(jī)理及物料運(yùn)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(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(shí)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(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(gè)較難解決的問題,尤其是在目標(biāo)運(yùn)動
速度快，記錄時(shí)間短的情況下問題更為突出；
三是
膠片處理過程繁瑣、費(fèi)時(shí)，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(yùn)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(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(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(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(yùn)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(shí)期和不同時(shí)間短期作業(yè)對象的不一
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(yàn)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(shí)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(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
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(yùn)動規(guī)律，對理論分
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)對作業(yè)對象的運(yùn)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)。
(文章轉(zhuǎn)自愛學(xué)術(shù)，若侵權(quán)，請聯(lián)系刪除�。�
推荐
-
-
QQ空间
-
新浪微博
-
人人网
-
豆瓣
