基于機(jī)器視覺(jué)的蘋果大小自動(dòng)分級(jí)方法

基于機(jī)器視覺(jué)的蘋果大小自動(dòng)分級(jí)方法

0蘋果生產(chǎn)的分級(jí)現(xiàn)狀分類是根據(jù)要求將物體分為不同級(jí)別的方法。蘋果分級(jí)一直是我國(guó)水果生產(chǎn)業(yè)上的一大薄弱環(huán)節(jié),直接影響到蘋果在市場(chǎng)上的銷售。眾所周知,我國(guó)出口到國(guó)外市場(chǎng)上的蘋果,其品質(zhì)并不亞于國(guó)外同類產(chǎn)品,但是由于等級(jí)層次不齊而導(dǎo)致蘋果在市場(chǎng)上毫無(wú)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)可言。據(jù)中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)咨詢網(wǎng)上的報(bào)道,在國(guó)外,蘋果收獲后要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的分級(jí),這樣不僅拉開了價(jià)格檔次,而且也方便了消費(fèi)者的購(gòu)買。中國(guó)在加入WTO之前,農(nóng)產(chǎn)品關(guān)稅一直保持在很高的水平,國(guó)外蘋果沒(méi)有在實(shí)質(zhì)上沖擊本土蘋果?，F(xiàn)在,我國(guó)農(nóng)產(chǎn)品的市場(chǎng)之門已經(jīng)打開,中國(guó)近10億的農(nóng)業(yè)人口要面臨來(lái)自世界的競(jìng)爭(zhēng)[1.2]。長(zhǎng)期以來(lái),我國(guó)鄉(xiāng)村勞動(dòng)力資源豐富,蘋果生產(chǎn)的分級(jí)只采用人工方式。人工分級(jí)存在明顯的缺點(diǎn):首先,分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的客觀性水平差,同一品種的蘋果對(duì)于不同的產(chǎn)地,其人為制定的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)可能不同,即使是同一個(gè)生產(chǎn)者,由于受情緒和疲勞程度的影響,所把握的標(biāo)準(zhǔn)也在波動(dòng);另外,分級(jí)的效率低,無(wú)法與自動(dòng)化生產(chǎn)線的生產(chǎn)能力相比。一個(gè)產(chǎn)業(yè)的附加值往往在產(chǎn)業(yè)之外。目前,我國(guó)的蘋果分級(jí)現(xiàn)狀直接導(dǎo)致其質(zhì)量大打折扣。研究如何提高我國(guó)的蘋果自動(dòng)分級(jí)水平,提高其在市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力,對(duì)于我國(guó)這樣一個(gè)蘋果生產(chǎn)大國(guó),具有深遠(yuǎn)意義[4.5]。在此基礎(chǔ)上,本文提出了一種基于機(jī)器視覺(jué)的蘋果大小自動(dòng)分級(jí)方法。1分類系統(tǒng)的組成和圖像采集流程1.1雙錐式區(qū)域機(jī)器識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)分級(jí)系統(tǒng)主要由蘋果輸送翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、機(jī)器視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)和分級(jí)機(jī)構(gòu)組成,如圖1所示。蘋果輸送翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)主要由雙錐式滾筒、摩擦帶和傾斜條等組成。該機(jī)構(gòu)由鏈傳動(dòng)完成,雙錐式滾筒通過(guò)水平軸裝在鏈條上,并能隨鏈條向前運(yùn)動(dòng)。裝在雙錐式滾筒下面的摩擦帶由另一電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng),與雙錐式滾筒緊密接觸。當(dāng)摩擦帶和雙錐式滾筒具有速度差時(shí),雙錐式滾筒就會(huì)在摩擦帶上繞水平軸轉(zhuǎn)動(dòng),調(diào)節(jié)摩擦帶的速度可以控制雙錐式滾筒的旋轉(zhuǎn)速度,從而保證蘋果在向前運(yùn)動(dòng)的同時(shí)具有翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。傾斜條的作用是保證蘋果在輸送過(guò)程中能自動(dòng)單個(gè)成行進(jìn)入每對(duì)雙錐式滾筒中,蘋果輸送翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的速度可根據(jù)生產(chǎn)線工作的需要進(jìn)行調(diào)整。機(jī)器識(shí)別系統(tǒng)主要由CCD攝像頭、微機(jī)和光照箱等組成。CCD攝像頭選用SONYDC—TRV75E攝像機(jī),其性能指標(biāo):成像器件為5.1㎜(1/3.6倍)的CCD(電荷偶合器件),總象素為21.1萬(wàn),鏡頭采用組合電動(dòng)變焦鏡頭,焦距4.5~45㎜;USB插孔為DCR—TRV75,解象度為640×480象素,攝像頭采集圖像速度(幀頻率)為30幀/s;微機(jī)配置為1.7GHzCPU、512MB內(nèi)存和40GB硬盤;照明裝置采用壽命長(zhǎng)、燈顯色性好、顏色失真小和色澤均勻的2只220V100W長(zhǎng)壽燈泡。分級(jí)部分主要由控制模塊、滑道和分級(jí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。當(dāng)分級(jí)料斗輸送帶上的蘋果到達(dá)對(duì)應(yīng)的分級(jí)口位置時(shí),由分級(jí)控制模塊發(fā)送指令,使分級(jí)機(jī)構(gòu)動(dòng)作,完成分級(jí)。1.2蘋果圖像的采集試驗(yàn)時(shí),調(diào)節(jié)CCD攝像頭的焦距和蘋果輸送翻轉(zhuǎn)部分的速度,直到采集蘋果圖像清晰為止,鎖定焦距和蘋果輸送翻轉(zhuǎn)部分的速度。CCD攝像頭采集蘋果視頻信號(hào)存儲(chǔ)在數(shù)碼錄像帶上。試驗(yàn)結(jié)束后,視頻信號(hào)通過(guò)USB接口傳輸?shù)轿C(jī),并以MPEG格式存儲(chǔ),稱為視覺(jué)檢測(cè)樣本。2視覺(jué)檢測(cè)樣品的成像采用MATLAB圖像處理工具箱對(duì)圖像進(jìn)行處理和分析。具體過(guò)程是圖像背景去除、二值化、圖像平滑、特征量提取、圖像標(biāo)定和自動(dòng)分級(jí)等。2.1rgod函數(shù)在獲取的樣本圖像中,包括蘋果、摩擦帶和滾子等背景物體,因此首先應(yīng)該將這部分背景去除。調(diào)用imclearborder(X,CONN)函數(shù),其功能是去除圖像X中與圖像邊界相連通且比其周圍物體明度高的部分。為此,可以通過(guò)選擇CONN的值來(lái)選用4連通或是8連通(即CONN=4或CONN=8)。根據(jù)具體情況進(jìn)行調(diào)整。這里選用8連通效果較好[8、10]。實(shí)現(xiàn)背景去除可使用如下語(yǔ)句:去除背景后的圖像如圖2所示。2.2圖像圖像對(duì)比圖像二值化處理是特征量提取所必需的。去除與邊緣相連的背景物后,圖像還是真彩色圖像。為將圖像變換成二值圖像,應(yīng)將圖像變換成灰度圖像。實(shí)現(xiàn)彩色圖像灰度化可使用如下語(yǔ)句:灰度圖像如圖3所示。得到灰度圖像后,選取合適的閾值對(duì)圖像進(jìn)行二值化處理。二值化處理的具體過(guò)程如下:設(shè)定某一閾值T,二值化處理就是用T將圖像分為兩部分。大于T的象素群取值1,小于T的象素群取值0,從而把圖像化分成僅留目標(biāo)對(duì)象和黑色背景的兩個(gè)區(qū)域。通過(guò)二值化處理,使檢測(cè)對(duì)象從復(fù)雜的圖像背景中凸顯出來(lái)。圖像二值化處理的函數(shù)表達(dá)式如下這一步處理的關(guān)鍵是閾值的選擇。通過(guò)對(duì)所采集樣本圖像的分析,采用自動(dòng)搜索閾值法進(jìn)行圖像二值化處理。實(shí)現(xiàn)搜索最佳閾值和二值化處理可使用如下語(yǔ)句:二值化圖像如圖4所示。2.3去噪干擾圖像經(jīng)二值化處理后不僅包括蘋果目標(biāo),還殘留一些干擾噪音(小斑點(diǎn))。這些噪音直接影響檢測(cè)的準(zhǔn)確度,而圖像的平滑處理就是消除噪音。實(shí)現(xiàn)圖像平滑處理可使用如下語(yǔ)句:平滑處理圖像如圖5所示。2.4蘋果大小分級(jí)蘋果在輸送帶上既有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)又有平移運(yùn)動(dòng),這兩種運(yùn)動(dòng)的組合使蘋果狀態(tài)出現(xiàn)了不確定性。一般表現(xiàn)為3種形式,即側(cè)傾、正立和倒立形式。當(dāng)處于正立和倒立形式時(shí),由蘋果的生物特性決定其圖像邊緣近似圓形;當(dāng)處于側(cè)傾形式時(shí),圖像邊緣呈不規(guī)則形狀,反映蘋果的形狀差異,在對(duì)蘋果進(jìn)行大小分級(jí)時(shí),一般按蘋果直徑進(jìn)行分級(jí)。因此,對(duì)采集圖像進(jìn)行圖像處理后,檢測(cè)其邊緣序列點(diǎn)集(xi,yi),i=,1,0…,n-1,n,則蘋果圓形性表達(dá)為式中r—從形心到邊界點(diǎn)的平均距離;σ—從形心到邊界點(diǎn)距離的均方差。式中cx,cy—形心坐標(biāo)。文中采用質(zhì)點(diǎn)法計(jì)算形心坐標(biāo),計(jì)算公式為當(dāng)蘋果形狀趨于圓形時(shí),特征量c是單調(diào)減少趨向0,它不受形狀區(qū)域位置和尺寸的影響。對(duì)經(jīng)過(guò)圖像處理后的圖像分別計(jì)算特征量c,取c值較小的一幅圖像來(lái)檢測(cè)蘋果大小。在得到檢測(cè)圖像后,需確定蘋果直徑的檢測(cè)軸向,取垂直方向?yàn)檩S向方向。這樣,取垂直于軸向的最大蘋果寬度即為蘋果直徑大小。但最大寬度的確定仍需搜索完成,即沿著軸向方向進(jìn)行寬度檢測(cè),得到一系列蘋果寬度,最后對(duì)其進(jìn)行比較,確定最大值,這是進(jìn)行蘋果大小分級(jí)的特征量。2.5圖像標(biāo)記的轉(zhuǎn)換在進(jìn)行特征量提取后,得到蘋果的直徑值是像素坐標(biāo)下的值。要進(jìn)行蘋果大小分級(jí),還需對(duì)其值進(jìn)行像素坐標(biāo)和實(shí)際坐標(biāo)的轉(zhuǎn)化(即圖像標(biāo)定)。在圖像標(biāo)定中,以水平放置的刻度尺為參考,在刻度尺上做兩處標(biāo)記,兩標(biāo)記點(diǎn)間的實(shí)際坐標(biāo)差為10cm。通過(guò)多次檢測(cè)兩標(biāo)記點(diǎn)間的像素坐標(biāo)差,利用公式(6),就可以得到像素坐標(biāo)于實(shí)際坐標(biāo)的標(biāo)定比例。式中α—單位長(zhǎng)度內(nèi)的象素?cái)?shù);X1—左標(biāo)記點(diǎn)的象素坐標(biāo);L—刻度尺的總長(zhǎng)度(10cm)。3自動(dòng)分類3.1蘋果直徑分級(jí)利用圖像標(biāo)定比例對(duì)檢測(cè)到的特征量進(jìn)行轉(zhuǎn)化,可以得到蘋果的實(shí)際直徑。蘋果大小分級(jí)可以按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行在GB10651-89中,關(guān)于蘋果直徑分級(jí)參數(shù)如表1所示。由表1可見(jiàn),采用簡(jiǎn)單閾值法就可以進(jìn)行蘋果大小的分級(jí)。以大型果為例,取閾值Dl、D2、D3,則有:Dl=80、D2=75、D3=70。設(shè)實(shí)際蘋果直徑大小為d,分級(jí)程序如下利用上面的程序,分級(jí)很容易實(shí)現(xiàn),且計(jì)算量小,分級(jí)速度快。3.2視覺(jué)分級(jí)結(jié)果和人工分級(jí)結(jié)果文中以紅富士為研究對(duì)象,選取64個(gè)樣本進(jìn)行分級(jí)。視覺(jué)分級(jí)結(jié)果和人工分級(jí)結(jié)果見(jiàn)表2所示。從表2可以看出:視覺(jué)分級(jí)結(jié)果與人工分級(jí)結(jié)果相一致的有60個(gè),不一致的有4個(gè),視覺(jué)分級(jí)的準(zhǔn)確率可達(dá)93.75%。4自動(dòng)分級(jí)和視覺(jué)分級(jí)的實(shí)驗(yàn)分析1)構(gòu)建了蘋果視覺(jué)分級(jí)系統(tǒng),通過(guò)試驗(yàn)獲取了視覺(jué)分