紅外果蔬干燥視覺控制系統(tǒng)的研究

李建軍，弋曉康，王 偉

(塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300)

享譽(yù)國內(nèi)外的新疆紅棗和葡萄等水果由于特有的生態(tài)環(huán)境和氣候條件，外觀光滑亮麗，營養(yǎng)價(jià)值高。目前紅棗、葡萄等多數(shù)水果是采用自然晾曬或人工烘房進(jìn)行干制，由于烘房干燥工藝較為粗放，干燥溫度不易控制，致使產(chǎn)品產(chǎn)生不良焦苦味，商品性大大降低。因此，要搞好水果的精深加工必須把提高水果的內(nèi)在品質(zhì)放在首位［1］。而遠(yuǎn)紅外干燥技術(shù)干燥時(shí)間短，熱效率高，熱損失小，加熱引起食物材料的變化損失小，最終產(chǎn)品品質(zhì)較好。在產(chǎn)品干燥過程中輻射可達(dá)一定深度，受熱均勻，不需要有氣流穿過物料。并且遠(yuǎn)紅外線干燥設(shè)備簡單，節(jié)約能源，干燥速度快，生產(chǎn)效率高，產(chǎn)品質(zhì)量好，符合環(huán)保的要求，對(duì)被加熱物也沒有污染，具有廣闊的發(fā)展前景。遠(yuǎn)紅外真空干燥設(shè)備主要由遠(yuǎn)紅外加熱板、控制系統(tǒng)及真空系統(tǒng)等幾部分組成。而控制系統(tǒng)是干燥能否完成的核心部分，基于機(jī)器視覺技術(shù)烘干檢測(cè)是實(shí)現(xiàn)干燥過程的控制智能化，改善燥后蔬果的品質(zhì)的重要保證［2-6］。

1 基于計(jì)算機(jī)視覺變量圖像采集系統(tǒng)

在計(jì)算機(jī)視覺變量圖像采集研究中，如何構(gòu)建圖像采集軟件系統(tǒng)，使獲得的圖像能夠滿足實(shí)時(shí)處理的要求是研究的關(guān)鍵。在視覺系統(tǒng)中基于PC的系統(tǒng)具備編程靈活性、方便的窗口界面以及低成本等優(yōu)點(diǎn)。因此研究選用PC視覺系統(tǒng)，該系統(tǒng)以Windows操作系統(tǒng)為開發(fā)平臺(tái)，采用VB開發(fā)，采用單文檔界面設(shè)計(jì)。通過此軟件能夠?qū)崿F(xiàn)采集畫面的實(shí)時(shí)顯示、歷史數(shù)據(jù)顯示、攝像頭參數(shù)的選擇和控制、串口通訊參數(shù)選擇和控制等。

系統(tǒng)做出烘干決策后，就形成了上位機(jī)烘干指令，該指令包含了遠(yuǎn)紅外電加熱板加熱和何時(shí)應(yīng)該加熱，何時(shí)應(yīng)該停止加熱等信息。上位機(jī)單元的重要任務(wù)，就是將該信息發(fā)送給下位機(jī)單元，使之能對(duì)加熱執(zhí)行單元進(jìn)行控制。數(shù)據(jù)能否順利傳遞，通訊方式是關(guān)鍵，系統(tǒng)選用的串口通訊，串口通訊數(shù)據(jù)傳輸速率很低，但是它數(shù)據(jù)傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高。并且系統(tǒng)的數(shù)據(jù)的傳輸量較小，最大的傳輸速率為每秒8幀信息，用9600波特率已經(jīng)足夠，因此串口通信能夠很好的滿足要求。同時(shí)在各種通信標(biāo)準(zhǔn)中選擇簡單的RS-232標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行通訊。針對(duì)蔬果干燥標(biāo)準(zhǔn)要求，研究找出整個(gè)控制系統(tǒng)的匹配模型，并對(duì)干燥控制裝置進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì);采用相應(yīng)的開發(fā)軟件，驗(yàn)證視覺變量干燥控制系統(tǒng)的控制算法，同事構(gòu)建整個(gè)系統(tǒng)控制干燥裝置軟平臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)［7］。

2 圖像實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件主要由光源、接收模塊、采集模塊和PC機(jī)等組成。

2.1 控制系統(tǒng)光源

系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)，采用自然光源作為實(shí)驗(yàn)用光源?？刂葡到y(tǒng)將葡萄、紅棗等的大小、顏色在烘干前后要區(qū)分開來，由于圖像處理軟件的魯棒性很好，配合用自然光源可以滿足要求，無需區(qū)別葡萄、紅棗的紋理及其他細(xì)節(jié)需求，不必借助人工光源。因此，根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求自然光源能滿足實(shí)驗(yàn)要求。

2.2 圖像接收模塊

圖像接收模塊用CMOS類型攝像機(jī)，此攝像機(jī)具有可以將接收?qǐng)D像信號(hào)變成電壓信號(hào)輸出、速度塊，結(jié)構(gòu)簡單、能源消耗較小。其內(nèi)部器件傳感器參數(shù):像素超過百萬，A/D轉(zhuǎn)換精度10位，分辯率1280×1024，40幀/秒，圖像窗口可無級(jí)設(shè)置幀率也隨之變化。

攝像機(jī)鏡頭和攝像機(jī)配合使用，鏡頭主要參數(shù):焦距f(mm)選擇要合適，其大小決定著視場角的大小，f數(shù)值太小，雖然觀察范圍擴(kuò)大了，可能遠(yuǎn)距離的物體分辨不清楚，反之f數(shù)值太大，可能觀察范圍不能滿足要求，所有要確定好f的大小，可以通過公式求得:

其中:L為芯片的長邊或短邊;u為物距;FOV即是相應(yīng)方向的物體大小。由于焦距和視場角是一一對(duì)應(yīng)的，唯一的焦距對(duì)應(yīng)著唯一的現(xiàn)場角，所以在選擇鏡頭時(shí)，應(yīng)先根據(jù)式(1)初步計(jì)算焦距數(shù)值。

當(dāng)鏡頭的焦距確定后，物距u可由下式確定:

F表示采光能力(鏡頭光圈大小)，d為有效孔徑。因?yàn)楦鶕?jù)式(3)d越大，f越短，F(xiàn)越大，即采光多，而到達(dá)像面的光照度和F的平方成正比，光圈每調(diào)大照度就采光能力增加更大。所以應(yīng)根據(jù)被實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場的光線變化程度來選擇用手動(dòng)光圈還是自動(dòng)光圈鏡頭。F值越大采光能力越強(qiáng)，價(jià)格也越高，綜合考慮系統(tǒng)選 F(1∶1.8)，焦距為50 mm，手動(dòng)調(diào)節(jié)。

2.3 數(shù)據(jù)采集

在實(shí)時(shí)采集圖像的過程中，目標(biāo)與攝像機(jī)之間是有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的，為了獲得的較好的圖像，要確定好光圈的大小。

1)光圈值的確定。物體在一定空間內(nèi)成像都是清晰的，圖像質(zhì)量也有保證，超出這個(gè)范圍時(shí)，對(duì)比度會(huì)下降，這個(gè)距離就是物體在景深范圍內(nèi)。而景深和光圈的大小關(guān)系最密切。光圈越大，景深越小。因此在實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)前，要根據(jù)烘干的葡萄、紅棗大小尺寸調(diào)整光圈大小，以保證不同大小的蔬果都能清晰可見，便于后期的圖像處理。

2)曝光時(shí)間的確定。在光圈值確定了的情況下，曝光時(shí)間的長短與圖像的清晰度直接相關(guān)。如果光照不變，一般情況快門速度可以拍攝到清晰的照片。一般情況光源的強(qiáng)度不夠，快門速度應(yīng)地減慢，否則會(huì)導(dǎo)致采集的圖像出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)模糊。出現(xiàn)這種情況下，圖像處要進(jìn)行圖像恢復(fù)操作。

3 視覺圖像采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用VB程序語言，包括主程序和各個(gè)子程序模塊，其中主程序下各子模塊程序相對(duì)獨(dú)立，這樣便于對(duì)程序修改、應(yīng)用方便靈活。各個(gè)功能模塊主要包括系統(tǒng)初始化、串口參數(shù)設(shè)置及控制、圖像的實(shí)時(shí)顯示和歷史數(shù)據(jù)的顯示等。軟件流程圖1所示。

圖1 系統(tǒng)軟件整體流程框圖

3.1 系統(tǒng)的初始化和串口通訊參數(shù)設(shè)置

系統(tǒng)的初始化主要包括數(shù)字?jǐn)z像頭、實(shí)時(shí)顯示界面、歷史數(shù)據(jù)顯示界面、內(nèi)存畫圖等初始化等功能。實(shí)時(shí)顯示界面主要是適應(yīng)攝像頭的分辨率，其對(duì)象內(nèi)部的水平屬性設(shè)為1280，垂直屬性設(shè)為1024;歷史數(shù)據(jù)顯示界面對(duì)象內(nèi)部的水平屬性設(shè)為600，而顏色值范圍為0～255，則垂直屬性設(shè)為255;內(nèi)存畫圖主要是創(chuàng)建一個(gè)與窗體相兼容的設(shè)備場景，并創(chuàng)建一個(gè)與窗體同樣大小的矩形區(qū)域;數(shù)字?jǐn)z像頭的參數(shù)設(shè)置主要通過InitialDevice函數(shù)完成。在窗體的Load事件中通過Status=BeginHVDevice(1，hhv)初始化攝像頭，通過調(diào)用InitialDevice()子過程對(duì)攝像頭的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，分辨率初始化、采集方式設(shè)置為連續(xù)采集、增益設(shè)置各個(gè)分量的增益、AD轉(zhuǎn)換級(jí)別置成級(jí)別2。

系統(tǒng)中串口通訊的作用是實(shí)現(xiàn)上位機(jī)依據(jù)圖像分析的結(jié)果向下位機(jī)發(fā)送“0001”或者“0000”命令，從而控制遠(yuǎn)紅外加熱板的通電和斷電。串口控制模塊封裝了串口控制函數(shù)，如串口初始化、發(fā)出控制信號(hào)、接收信號(hào)、關(guān)閉串口。為了軟件的可擴(kuò)展性，串口參數(shù)設(shè)置部分主要包括串口的選擇、波特率、數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)位和停止位的選擇，在此系統(tǒng)中，默認(rèn)的設(shè)置時(shí) COM1、9600、8、None、1。當(dāng) C 點(diǎn)擊“打開串口”按鈕時(shí)，串口按照 Combo1、ombo2、Combo3、Combo4、Combo5的Text屬性里的數(shù)值打開串口，在Timer1的Timer事件中，當(dāng)符合參數(shù)要求時(shí)，通過“MSComm1.OutBufferCount=0，MSComm1.Output=outbte”兩條語句向串口發(fā)送數(shù)據(jù)，從而控制遠(yuǎn)紅外加熱板的打開和關(guān)閉。

3.2 后臺(tái)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)

圖像的實(shí)時(shí)顯示，圖形畫面可現(xiàn)實(shí)干燥箱內(nèi)的干燥狀況，工作人員可以實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。在VB本軟件使用的是PictureBox控件來完的，為了將采集來的畫面按比例顯示在窗口中，在程序中將此控件的度量單位設(shè)置成Pixel，寬度和高度分別設(shè)置成數(shù)字?jǐn)z像頭當(dāng)前采用的分辨率。依據(jù)在中等亮度的光刺激下視覺暫留時(shí)間 為0.05～0.2 s，畫面更換時(shí)間間隔即Timer控件的Inteval屬性設(shè)置為100 ms。

歷史數(shù)據(jù)的顯示，歷史數(shù)據(jù)現(xiàn)實(shí)畫面，通過此模塊可以了解現(xiàn)在是是處于遠(yuǎn)紅外加熱階段是處于兩批蔬果更換間歇階段。軟件畫面中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)曲線顯示可以通過PictureBox控件或者M(jìn)SChart控件，當(dāng)數(shù)據(jù)更新較快時(shí)MSChart控件存在閃爍現(xiàn)象，且機(jī)器速度越慢閃爍現(xiàn)象越明顯，最終消閃的辦法還得通過內(nèi)存，所以本軟件通過Picture控件通過內(nèi)存直接畫圖。

軟件包括4個(gè)按鈕:開始、結(jié)束、打開串口和關(guān)閉串口。系統(tǒng)運(yùn)行后，實(shí)時(shí)顯示界面的外觀和位置已經(jīng)設(shè)計(jì)好，歷史數(shù)據(jù)顯示界面的外觀和位置也已經(jīng)設(shè)計(jì)好，數(shù)字?jǐn)z像頭和串口都已經(jīng)被初始化，但數(shù)字?jǐn)z像頭還不能采集數(shù)據(jù)。點(diǎn)擊開始按鈕，攝像頭開始采像，并將每幀圖像的平均值存在txt文件里，但不能將分析結(jié)果傳給下位機(jī);只有同時(shí)點(diǎn)擊打開串口按鈕，才會(huì)將不同于上次的分析結(jié)果傳給下位機(jī)。當(dāng)結(jié)束軟件時(shí)，首先點(diǎn)擊關(guān)閉串口，停止向下位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，然后點(diǎn)擊結(jié)束按鈕，這是數(shù)字?jǐn)z像頭停止采集圖像，并且軟件退出。

3.3 系統(tǒng)的技術(shù)性能指標(biāo)

本文提出的計(jì)算機(jī)視覺對(duì)蔬果進(jìn)行烘干的新辦法是一種快速而有效的辦法。分析了蔬果上位機(jī)干燥控制系統(tǒng)組成、參數(shù)，并提出了機(jī)器視覺軟件算法。

視覺圖像通過HVApi的ConvertBayer2Rgb函數(shù)獲得此圖像每個(gè)像素參數(shù)，判斷與標(biāo)定值的關(guān)系，如果大于標(biāo)定值(根據(jù)烘干的果蔬要求的顏色、大小等)，則認(rèn)為是烘干開始，給下位機(jī)傳送打開命令，從而遠(yuǎn)紅外加熱板通電;如果小于標(biāo)定值，給下位機(jī)傳送關(guān)閉命令，遠(yuǎn)紅外加熱板停止工作。下面列出部分主要代碼。

啟動(dòng)數(shù)字?jǐn)z像機(jī)，采集圖像數(shù)據(jù)到內(nèi)存:

4 結(jié)束語

本文研究了基于視覺變量的遠(yuǎn)紅外蔬果干燥的控制問題，給出了控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與通訊方法，通過系統(tǒng)硬件和軟件的結(jié)合，實(shí)驗(yàn)證明了基于視覺算法烘干的可行性，表明可以用于蔬果烘干系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制。

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