基于機器視覺的點餐自動提示器設計

陳善為，余建安，邵夢甜，李 萍，王小梅

（寶雞文理學院 教育學院，陜西 寶雞 721016）

隨著人們生活水平的不斷提高，在外就餐越來越普遍，但是，在點餐過程中，商家更多是出于經濟利益的驅使而非人性化考慮下單，再加上消費者健康飲食觀念的缺失，導致顧客對飲食的熱量、含糖量等飲食特性缺乏了解，容易產生用餐浪費以及不健康飲食的問題。這與當前倡導的健康生活方式、構建節(jié)約型社會的理念相悖。本研究嘗試將機器視覺技術引入餐飲過程，設計一種基于機器視覺的點餐自動提示器，為顧客提供客觀科學的數據，便于點餐時進行參考。

1 系統(tǒng)關鍵技術

機器視覺是指利用機器代替人眼來做測量和判斷的一種技術[1]。設備首先利用機器視覺對消費者的身高和體型予以測量，然后根據他們的體型特征做出相關判斷，進一步推測出消費者的胖瘦、體重等信息，判斷消費者的飲食需求，給出最終的用餐建議。在它的設計過程中主要涉及光學成像、自動控制、數字圖像處理、計算機等相關理論和技術。在此就以上技術在本裝置中的應用予以分析：

1.1 硬件技術

1）光源

光源設計是該提示器的基礎環(huán)節(jié)，它為提示器的成像裝置提供了穩(wěn)定可靠的光源。因為光源直接作用于提示器的原始圖像信息輸入，對輸入圖像的質量有直接影響，關系著裝置的準確性和實用性。有效的光源設計一方面可以使待檢測的目標人群特征突出，同時抑制不必要的干擾，另一方面也能為點餐自動提示器的后期圖像處理提供保障。

光源設計從三方面加以考慮，光源選擇、光源的結構特性、光反射環(huán)境的傳送特性[2]。由于點餐自動提示器主要作用于餐飲消費者，對穩(wěn)定性要求較高，因此在本裝置中著重考慮光源的選擇。在綜合考慮各種因素后，本裝置最終采用穩(wěn)定性好，亮度高，能耗較低的LED作為主光源。

2）鏡頭

鏡頭是整個系統(tǒng)與目標人群距離最近的部件，鏡頭的質量直接關系到本裝置的整體性能。因此合理選擇并安裝鏡頭是保證該系統(tǒng)的成像裝置在清晰成像的同時獲得高精度圖像信號的基礎。鏡頭在設計中應注意以下3個問題：

①保持合理的物距，以便獲得對象特征。

②要求鏡頭還原準確，畸變小[3]。

③要求鏡頭在保持小畸變的同時盡量提供大視野，這樣便于后期圖像處理。

3）攝像機

攝像機也是該系統(tǒng)的核心部件，它相當于這個裝置的眼睛。在本裝置中著重解決攝像機的選擇問題。在選擇機器視覺系統(tǒng)中的攝像機時，除了考慮光電轉換元件外，還應考慮系統(tǒng)運行周期、檢測的視角、測量精度、掃描方式、接口類型等因素[4]。

4）圖像采集卡

圖像采集卡是整個系統(tǒng)的心臟，承載著圖像的收集和處理等任務。由于本裝置攝像機獲取的信號屬于模擬信號，不能被計算機直接識別和處理，需要圖像采集卡對攝像機搜集的模擬信號進行模數轉換，生成能被計算機處理的數字信號[5]。圖像采集卡必須能和攝像機協(xié)同工作，并能實時采集和轉換大量的圖像數據，因此對它的性能要求較高。

5）微型液晶顯示器

微型液晶顯示器處于本系統(tǒng)的末端，是本裝置的人機交互界面。它主要將前述各環(huán)節(jié)處理的目標人群的身高、體型等信息特征和點餐自動提示器所依據此特征做出的餐飲建議呈現出來，為消費者提供一個可視化的信息呈現平臺。

1.2 軟件技術

該系統(tǒng)的軟件部分主要涉及圖像處理和視覺信息處理。前述機器視覺系統(tǒng)的前端環(huán)節(jié)，包括光源、鏡頭、攝像機等，都是為最終的視覺信息處理準備素材。機器視覺系統(tǒng)通過對圖像的處理、分析和識別實現對特定目標和特征的檢測[6]。在本設計中該技術的具體應用是：利用圖像處理軟件，對圖像采集卡采集的原始圖像予以圖像顯化、圖像分割、容差設置、亮度飽和度調節(jié)等一系列處理，優(yōu)化圖像的可視效果；然后，由計算機按照預定程序對圖像的視覺信息進行精細化計算，用以獲得對目標人群的客觀描述，為整個點餐自動提示器設計提供精確的信息支持，從而實現預設目標。

2 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)結構原理如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結構原理圖Fig.1 Principle diagram of the system structure

在“基于機器視覺的點餐自動提示器”設計中，首先光源依據其穩(wěn)定性、輔助性的設計要求照射目標人群，為攝像機提供清晰的光源環(huán)境；然后讓攝像機拍攝目標人群圖像，并利用圖像采集卡將接收到的模擬圖像信號，轉化為計算機所能識別的數字圖像信號，傳送給圖像處理系統(tǒng)；緊接著圖像處理系統(tǒng)對這些信號進行綜合運算并抽取目標的特征；最后，將目標特征與標準數據庫特征數據進行對比，得出結果，顯示最終的點餐建議，具體執(zhí)行情況如下：

1）圖像的獲取

裝載于自動點餐提示器上的攝像機拍攝置于穩(wěn)定LED光源下的目標，獲得目標圖像，將目標的可視化圖像和內在特征轉換成能被計算機處理的數據，它直接影響到系統(tǒng)的穩(wěn)定性和最終結果的準確性。

2）圖像的處理

點餐自動提示器在獲得目標的圖像后，內置圖像處理軟件即對圖像進行優(yōu)化處理，包括平滑、銳化、分割、匹配及編碼等[7]。經過這些處理后，輸出圖像的質量得到改善，以便于后續(xù)步驟依據圖像進行特征提取。

3）特征的提取

自動點餐提示器中的圖像處理裝置對圖像進行識別、量化，利用控制程序將這些量化后的數據與數據庫中預設的標準特征進行比對，為下一步的信息整合和控制提供數據源。

4）信息整合和控制

基于圖像處理的控制程序根據接收的數據進行分析、得出結論，并將目標的最終信息整合出來傳送給顯示器呈現。

5）信息的呈現

顯示器顯示目標特征，提供最終建議。

3 設計實踐

實驗小組對本裝置的原型系統(tǒng)進行了小規(guī)模的應用，從對五十名在校大學生測試后的數據分析來看，有近三十名同學依據體型特征給出的人工建議與本裝置的預測結果一致，該設計在初次實驗中的精確度接近60%，設計的預期效果基本達到。

不過，由此也能看出本設計的精確度有相當大的提升空間，也從側面反映出設計中存在的一些函待解決的問題如：目標人群的流動性對系統(tǒng)造成的干擾、系統(tǒng)穩(wěn)定性隨運行周期延長而下降、信息呈現平臺的靈敏度等。

4 結束語

“基于機器視覺的點餐自動提示器”設計是一次將機器視覺技術應用于餐飲領域的嘗試，該設計的各個組成部分緊密聯系，從光源的設計、鏡頭及圖像采集卡的選擇再到圖像處理控制系統(tǒng)，彼此匹配協(xié)同工作才能在獲得理想圖像的基礎上得到最終的點餐提示。該提示器系統(tǒng)是一個集光學、計算機圖形學等于一體的綜合系統(tǒng)，為了獲得良好的性能表現，在設計過程中應當格外注重系統(tǒng)的整體性和協(xié)調性設計。此外，由于機器視覺技術的制造成本較高，想要使該設計有好的應用前景，在未來的發(fā)展過程中如何突破技術瓶頸，降低生產成本，也是應該考慮的問題。

科技改變生活，相信有一天類似“基于機器視覺的點餐自動提示器”的技術會最終走向大眾化，使人們擁有更加健康、文明的消費生活。

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