SRT计划项目申请书提交版.docx

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SRT计划项目申请书提交版

SRT计划项目申请书

项目名称:

果树主干及其支干的图像信息提取

申请者:

XXX

院系:

工学院农机系

专业:

农业机械化及自动化专业

指导教师:

XX职称:

XX

2012年04月08日

南京农业大学教务处制

填报说明

一、填写申请书前，请先查阅《南京农业大学SRT计划项目管理办法》（校教字[2003]134号）文件和当年教务处关于SRT计划项目申请的要求及有关规定。

二、申请书的各项内容，要实事求是、逐条认真填写。

表达要明确、严谨。

第一次出现的缩写词，需注出全称。

三、申请书一律采用计算机打印,纸张标准为A4纸，于左侧装订成册。

第三页起各栏空格不够时，可自行加页。

一式二份，交所在学院办公室。

四、凡选择性栏目，请在相应提示符A、B、C等之上打勾（√）。

五、有关表格、材料请从教务处网站（）的“下载中心”中下载填写。

六、联系单位：

教务处实践教学科

地址：

文科楼A座217室

电话：

84395910

E-mail:

***************.cn

一、简表

申请者姓名

XXX

学号

XXXXXXXXX

班级

XXX班

年级

2010级

电话

XXXXXXXXX

E-mail

XXXXXXX@

项目名称

果树主干及其支干的图像信息提取

项目来源

A、自立项目√B、教师科研课题的子项目C、其它

项目类型

A、实验研究B、调查研究C、软件制作√

经费来源

A、学校资助√B、导师课题资助C、企业资助

经费额度

1200元

指导教师姓名

安秋

指导教师职称

讲师

合作者

姓名、学院、班级

XXX，XX系10级0X班；

XXX，XX系10级0X班；

XXX,XX系11级。

申请时间

2012年5月

完成时间

2013年5月

项目研究

内容

摘

要

果树收获机器人在果实采摘过程中需要识别树干，避开树干，从而快速准确到达果实生长位置。

由于果树长年生长在固定位置，并且多年生果树的主要树干也固定不变，如果在采摘前就已获得该棵果树树干的信息，在采摘时，就可以利用该信息进行快速路径规划，将大大提高果实采摘的实时性和果树收获机器人的工作效率。

本项目拟采用数字图像处理技术对落叶后的果树树干进行处理、分析，获得其主干及其支干信息，以期将提取的这些信息提供果树采摘机器人收获时使用。

同时，本项目也将以该信息为基础进行果树树干的二维重构。

二、立论依据

（包括项目的研究意义、现状分析，并附主要参考文献及出处）

1研究意义

进入21世纪，随着高新科技的迅速发展，农业科技迎来了新的发展机遇。

尤其是农业生产，正朝着规模化，多样化，精确化方向发展，农业劳动力的成本迅速上升，劳动力不足的现象也日趋明显，因而作为高科技的机器人技术进入农业领域变得越来越现实。

果园收获作业机械化和自动化成为广大果农们最为关注的热点问题，所以开展果树采摘机器人的研究，不仅对于适应市场需求、降低劳动强度、提高经济效率有着一定的现实意义，而且对减轻人类生活压力也是一种潜在的构想。

在果树采摘机器人的研究中，避障[1]是其最基本的关键技术之一，也是果树采摘机器人发展的障碍所在。

在果树采摘过程中，一般需要在线进行相关信息（如果实、树干等）的提取[2]，这在一定程度上限制了果树采摘机器人的工作效率。

基于此，本课题提出在果实收获前，预先进行果树主干及其枝干的图像信息提取，在果实采摘时，以该信息辅助机器人的采摘过程，这种方法必将大大提高果树采摘的实时性，为果树采摘机器人走向实用化助一臂之力。

2现状分析

果蔬采摘机器人[3]是21世纪精确农业的重要装备之一，是未来智能农业机械的发展方向。

从1983年的第一台西红柿采摘机器人[4]在美国诞生以来，采摘机器人的研究和发展已经经历了20多年。

以下主要介绍一些与树木图像处理和建模重构方面的国内研究进展和成果。

目前国内主要有两组研究人员进行林木图像处理方面的研究工作：

北京林业大学的李文彬等人[5]和南京林业大学的郑加强等人[6]。

北京林业大学的研究是以树木的整枝抚育为应用背景，南京林业大学的应用背景是精确喷雾。

2004年，程磊等提出了一种序列化的处理方法：

首先综合运用基于色彩和纹理的图像分割方法[7]获得初步分割图像，然后应用数学形态学方法修正分割后的图像，最后对分割图像中的树冠和树干进行整株树的标记，初步实现了一类树木图像的分割。

2005年，杨华等人对单株立木图像信息的提取分别运用近景摄影测量DLT模型和双目立体视觉技术[8]进行解算,解决了立木图像信息与立木二维坐标之间的解算问题。

2005年，孙仁山、李文彬等从工程应用角度出发，应用二维小波分析技术[9]对林木图像进行消噪、压缩等处理；提出一种用于工业用材林自动整枝的立木枝干动态识别系统[10]框架,对人工林侧柏的枝干进行了数字图像采集及处理,同时提出了一种立木枝干计算机自动识别算法,提取立木图像枝干形状、尺寸、弯曲度及相对空间位置关系基本生长特征,即利用模式识别技术验算其与特征数据库的匹配情况,从而达到立木枝干自动识别的目的。

2006年，阚江明、李文彬等针对智能整枝机视觉系统的需要提出一种以数学形态学为主的图像分割方法[11]，解决复杂背景下树木图像分割困难的问题。

2007年，阚江明、李文彬等利用已知大小的标定尺简化无线性畸变CCD摄像机标定过程，经过标定后统计立木枝干直径的像素数与每一个像素代表的实际尺寸相乘就可以很容易地计算立木枝干直径。

1998年，童雀菊、华毓坤对利用图像处理方法采集原木形状参数的过程[12]作了研究，提出了一种基本的图像处理在树干识别中应用的方法。

2004年，葛玉峰、周宏平等提出了基于相对色彩因子的树木图像分割算法[13]。

首先引入2×G/（R+B）色彩因子分割绿色树木与其背景，再引入（R+B+G）/3因子去除图像中的暗噪声或相对暗区。

2004年，向海涛、郑加强等[研究了树木图像的实时采集与识别技术[14],以及树木图像处理及分析软件系统的开发,并设计制作了室内模拟实验系统。

2005年，王雪峰、张超等介绍由摄像机图像抽取林木直径的方法、步骤[15],将度量误差模型算法应用到参数的求解当中,提出适合于林业野外作业的内、外参数分离策略,最后对文中算法、策略进行实际验证。

综上所示，国内在林木图像处理工作主要集中在森林或者工业用林等方面，研究也多停留在实验室水平上。

对果树图像进行研究的工作尚未见报道。

并且他们的研究主要针对整棵树为研究对象，而本项目则是对树的主干和枝干进行图像的处理和识别。

3应用前景

中国是一个发展中的农业大国，农业问题始终是关系到中国经济社会发展的根本问题。

农业作为国民经济最重要的基础产业，对经济社会的发展和人民生活起着极为重要的保障作用。

20世纪后半叶，我国以仅占世界7%的耕地养活占世界22%的人口，其中农业科技作出了巨大的贡献。

但目前随着人口的不断增长和环境的不断恶化，加上农产品价格低、农业收益差，农业生产环境艰苦，我国的农业发展正面临着严峻的考验。

为使农业得到持续稳定的发展，技术替代资源的发展道路将是21世纪农业的必然选择。

随着计算机技术和电气技术的发展,智能机器人在社会许多领域得到了广泛的应用。

在农业生产中，由于作业对象和环境的复杂性及多样性，研究发展农业机器人是目前农业机械发展的一个重要内容，具有广阔的的市场前景和巨大的经济效益。

我国是世界上水果生产大国，目前水果总产量已超过6000万吨，约占全球产量的14%。

中国有多种水果产量居世界领先地位。

以柑橘为例，其产量居世界第三位，占世界总产量的10.8%。

就栽培面积而言，我国的柑橘栽培面积列世界第一位，占世界总栽培面积的18%。

然而就单产而言，世界每公顷平均产量为14.5t，最高的为美国，达到36.9t，而中国目前的单产只有7.7t，约为美国的1/5,世界平均水平的53%，单位面积产量低是我国柑橘竞争能力提升的制约因素之一。

另外一个不能忽略的问题是我国柑橘果品质量不高，据乐观估计，优质果率为30%，真正算得上优质的只占5%，50%为大路货，20%为劣质果。

所以，在当前经济全球化的今天，要提高我国柑橘竞争能力，必须走优质化生产、产业化运作的路线。

因而研究开发具有识别能力、视觉功能、作业柔性化、稳定可靠的智能化水果机器人，提高生产力，保证水果品质，降低生产成本，增加整体效益，必然是新世纪高科技农业发展的方向。

而我们所研究的项目正是为智能化水果机器人所服务的。

在将来，也许所有水果的采摘都需要应用到智能化水果机器人。

而相应的，果树收获机器人在果实采摘过程中的快速识别树干，避开树干，从而快速准确到达果实生长位置变得日益重要。

采用数字图像处理技术对落叶后的果树树干进行处理、分析，获得其主干及其支干信息，以期将提取的这些信息提供果树采摘机器人收获时使用进行果树树干的二维重构将登上未来历史的舞台。

参考文献：

[1]刘喜昂，周志宇.基于多超声传感器的机器人安全避障技术[J].测控技术，2004，23

（2）：

71-73.

[2]蔡健荣,基于立体视觉的成熟水果识别定位及机器人路径规划[D],PhD江苏大学博士学位论文.2005.

[3]曹其新，吕恬生.日本蔬菜和水果拣选机器人的发展状况[J].机械设计与研究，1998，No4：

9-11.

[4]梁喜凤，苗香雯，崔绍荣等.番茄收获机器人技术研究进展[J].农机化研究,2003.10（4）:

1-4.

[5]孙仁山，李文彬，徐凯宏，基于小波变换的林业图像处理研究，森林工程,2005,21

（1）:

4-6

[6]向海涛　郑加强　周宏平，基于机器视觉的树木图像实时采集与识别系统，林业科学,2004,40（3）:

144-148

[7]程磊，树木图像的分割方法初探，硕士学位论文，北京林业大学，2004

[8]隋婧，金伟其.双目立体视觉技术的实现及其进展.电子技术应用.2004，10：

4-6.

[9]孙仁山，李文彬，徐凯宏，基于小波变换的林业图像处理研究，森林工程,2005,21

（1）:

4-6

[10]孙仁山　李文彬　田勇臣　华　丽，基于整枝抚育目的的立木枝干自动识别研究，北京林业大学学报,2005,27（4）:

86~89.

[11]阚江明，李文彬.基于数学形态学的树木图像分割方法[J].北京林业大学学报.2006,Vol.28（supp2）:

132～136.

[12]童雀菊　华毓坤，用图像处理法采集原木形状参数的研究，林业科学,1998,34（3）:

[13]葛玉峰,周宏平,郑加强等，基于相对色彩因子的树木图像分割算法[J].南京林业大学学报（自然科学版）.2004.28（4）:

19～22.

[14]向海涛　郑加强　周宏平，基于机器视觉的树木图像实时采集与识别系统，林业科学,2004,40（3）:

144-148

[15]王雪峰，张　超，唐守正，基于图像理解的树木直径抽取技术[J].林业科学.2005,Vol.41

（2）:

17～20.

三、研究方案

1.项目研究的目标、内容和拟解决的关键问题

研究目标

采取数字图像处理技术实现果树主干及其支干的图像信息提取，为机器人采摘果实的实时避障提供果树枝干信息。

研究内容

（1）编写能够提取果树枝干信息的程序。

首先利用数码摄像机采集果树图像，通过相关处理技术对图像中果树主干及其枝干的图像信息进行提取。

初步确定需要经过颜色分割、灰度阈值分割、树枝区域提取、树枝骨架提取、骨架修剪、遮挡树枝恢复等步骤，其中会运用到形态学方法、距离变换法、细线化法，最后集成调试，得到所需程序。

（2）基上以上提取的信息，重新绘制出果树枝干的二维平面图像，为操作者提供友好界面环境。

拟解决的关键问题

（1）如何快速有效地分割出图像的树枝区域。

（2）如何对主干及其支干进行信息描述。

（3）如何基于信息描述实现树干结构的二维重绘。

2.拟采取的研究方法、技术路线、实验方案及可行性分析

研究方法

本项目拟采取数字图像处理相关理论及技术实现果树图像树干的提取与分析。

采取计算机图形学的方法实现树干的二维重构。

基于Matlab图像处理工具箱进行图像处理算法的初步确定，在VC++环境下实现各种算法的C++程序编制与调试。

技术路线与实验方案

可行性分析

（1）理论上可行：

首先，果树树干及其支干的图像信息提取是农业机器人摘果项目中极其重要的一环，且在国内外已经有相似的研究，前景光明。

其次，我组成员经过较为周密的准备，在技术路线上已有充分考虑，实验方案明确，具有极大可能在该项目的实施上取得优秀成绩。

（2）现有设备与知识储备：

学校提供了独立实验室为我组成员的研究开辟良好环境，一定数目的资金支持为项目研究做好充足准备，而现成的实验仪器设备（数码摄像机等）减少了额外成本开支。

与此同时，指导老师具有相关研究经验。

最后，本组成员扎实成熟的程序编程基础为本项目的实施提供了理论上的保障。

综上所述,丰富的理论积累，雄厚的硬件支持，为本项目的顺序实施做足了准备。

在我组成员的努力下，该项目必定会取得预期的成果。

3.本项目的创新之处

本项目将设计出一套用于果树树干提取的算法程序。

他的创新之处在于：

可为果树采摘机器人提供树干分布信息，辅助进行果实采摘定位。

4.项目研究计划及预期进展

✧2012年4月-9月与指导老师交流沟通,确定正确的研究思路，明确自身的缺陷和不足，通过各种途径（参加培训班、自学等）系统学习与本项目相关知识，做到足够的积累，以面对实验过程中所遇到的各种问题和困难。

✧2012年10月积极向指导老师请教，确定实验中所需材料和相应仪器设备。

与指导老师详细交流,确定正确的实施方案，着手查找各类资料，动手制作相关材料、工具，清理出可随即投入使用的设备器材和实验室。

✧2012年11月利用数码相机拍摄去除树叶、果实的果树图像，依据实验方案设定出详细计划和编程步骤。

✧2012年11月-12月分工明确。

开始着手项目的编程阶段，尝试编写基本程序模块。

提交《项目中期检查表》等阶段性研究报告。

✧2013年3月-4月编写正确详尽的程序，不断调试，以得到目标所期许的成果。

✧2013年5月与指导老师沟通，将研究成果和实际应用结合起来，不断修改调整，细微处略作修饰，以期得到与目标匹配的自主研发软件系统。

✧2013年9月-10月准备结题工作，根据实验研究结果，撰写论文。

5.预期研究成果

1、编制果树树干提取程序一套；

2、撰写项目结题报告，争取发表一篇学术论文。

四、研究基础

1.与本项目有关的研究工作积累和已有的研究工作成绩

（1）2010年至2011年，我们大部分成员学习了高等数学、线性代数概率统计等课程，XX同学也于今年初通过了高等数学的学习，并取得优异成绩。

我们均具备运用数理知识分析处理问题的能力。

（2）2011年2-7月，我们通过了计算机编程语言的学习，并均已取得全国计算机二级证书，能够熟练使用VC++编程软件，进行一些相关程序的编写。

（3）2012年，在科协的组织下，我们进行了有关农业机器人摘果项目的专题讨论，并对机械手臂避障问题作了相关论述。

（4）2012年3月，我们就果树主干及其支干的图像信息提取作了详细讨论，并积极收集资料，与导师交流，为今后的实验研究奠定基础。

（5）熟练掌握有多种应用软件（word,cad,ppt,excel等）。

2.已具备的条件、尚缺少的条件和拟解决的途径（包括利用教学实验室、科研实验室和实习基地等的计划与落实情况）

已具备的条件

（1）学校具有丰富的实验材料和完整齐全的研究设备。

（2）学校大力支持并鼓励学生进行科研及实践创新训练活动，并有专人负责组织协调，匹配经费到位，配套扶持政策完善，能够为学生实施训练项目创造良好的环境。

（3）本实践创新训练计划的指导老师为XX老师，在学校开设有农业机器人等课程。

安老师有着丰富的教育教学经验以及很强的科研实力，能有效指导学生进行此项目的研究训练。

他曾长期致力于农业机器人相关项目的研究工作。

（4）小组成员具备较强的思维能力与动手能力，对科研有着极强烈的兴趣，具有团结和吃苦耐劳的精神。

尚缺少的条件

虽然已经做了极其充分的准备，考虑较周密详尽，随时可以投入项目的研究及软件开发工作，但缺少对C++和数字图像处理更加深入精详的知识储备。

拟解决的途径

（1）加强对C++的自学，必要时指导老师能够提供针对C++的专业培训。

（2）充分利用好图书馆的网络资源，同时学校考虑在实验室配备可用网络以供小组成员实时查阅资料信息，和导师保持联络。

五、经费预算

支出科目

金额

（元）

计算根据及理由

资料印刷

200

打印，复印文献及资料下载，撰写报告等

交通费

200

图像采集、采购材料等交通费

书费

200

相关技术书籍的购买

采购经费

200

树木材料的采购与安装

辅助工具

200

工具购买

其他

200

不可预知的费用

总计

1200

注:

开支范围详见校教字（2003）134号《南京农业大学SRT计划项目管理办法》文件的第十三条。

六、审查意见

指导

教师

意见

指导教师签名：

年月日

系部

意见

负责人签名、公章：

年月日

学院

意见

负责人签名、公章：

年月日

学校

意见

负责人签名、公章：

年月日

备注

七、申请者承诺

我保证上述填报内容的真实性。

如果获得资助，我与本项目组成员将严格遵守学校的有关规定，在不影响课程学习的同时，保证项目研究工作的时间，并按计划认真开展研究工作，在项目研究过程中或结束时，接受学校对本项目的中期检查和结题验收，并按时提交工作总结和结题报告。

申请者（签名）：

年月日