基于計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)大棗品質(zhì)檢測分級(jí)的研究

顏秉忠，王曉玲

(河北對(duì)外經(jīng)貿(mào)職業(yè)學(xué)院，河北 秦皇島　066311 )

0　引言

大棗是鼠李科棗屬植物的果實(shí)，也稱為紅棗。其所含的營養(yǎng)物質(zhì)比常見的水果豐富，特別是礦質(zhì)元素、糖類、氨基酸和維生素，因此具有很高的食用價(jià)值[1]。紅棗成熟后能夠作為零食直接食用，也可以晾干后加在菜肴和主食中食用，加工的方式也較多，如制作蜜餞和果脯等。相比其豐富的營養(yǎng)和食用方式，大棗的價(jià)格低，具有較高的性價(jià)比，因此受到消費(fèi)者的歡迎。大棗是我國的特色水果，種植面積和產(chǎn)量占世界總量的比例超過95%[2]。作為大棗的發(fā)源地和唯一出口國，我國近10年來的大棗生產(chǎn)規(guī)模增長迅速，年產(chǎn)量已經(jīng)突破800萬t，其中新疆為產(chǎn)量最高的省份。

為了便于運(yùn)輸和儲(chǔ)藏，大棗產(chǎn)業(yè)以干棗的銷售和加工為主。由于受到深加工程度和技術(shù)水平的制約，我國的大棗產(chǎn)業(yè)仍然缺乏高附加值的產(chǎn)品，影響了在國際市場的競爭力和種植及加工企業(yè)的效益。因此，加強(qiáng)從生產(chǎn)到消費(fèi)的各個(gè)操作環(huán)節(jié)的改進(jìn)，對(duì)于推動(dòng)我國大棗產(chǎn)業(yè)的升級(jí)具有重要作用。

分級(jí)是對(duì)水果和蔬菜果實(shí)的大小、形狀、顏色、營養(yǎng)物質(zhì)含量、表面缺陷等性狀進(jìn)行檢測和識(shí)別，然后根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)劃分等級(jí)的操作過程。分級(jí)是果蔬進(jìn)入市場銷售前的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，有利于各個(gè)等級(jí)的果實(shí)統(tǒng)一定價(jià)銷售，提高經(jīng)濟(jì)效益，增加相關(guān)產(chǎn)業(yè)的競爭力。我國的大棗產(chǎn)量和出口量巨大，加強(qiáng)大棗分級(jí)能夠帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)大棗產(chǎn)業(yè)的升級(jí)也具有重要意義。目前，大棗的分級(jí)以人工方法為主，即通過目測觀察，或利用選果板等工具，主觀判定大棗的等級(jí)。人工方法的操作簡單易行，對(duì)大棗的評(píng)價(jià)全面，能夠涵蓋多種表面性狀[3]；但隨著勞動(dòng)力的轉(zhuǎn)移，人工分級(jí)方法的成本升高，并且勞動(dòng)強(qiáng)度大，效率降低。同時(shí)，視覺疲勞和主觀因素會(huì)影響操作人員分級(jí)的準(zhǔn)確性，從而導(dǎo)致獲得的同級(jí)別大棗品質(zhì)不一致。

在科學(xué)發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步的推動(dòng)下，人們開發(fā)出了多種針對(duì)大棗的自動(dòng)分級(jí)系統(tǒng)和方法，包括自動(dòng)機(jī)械、光電系統(tǒng)和基于計(jì)算機(jī)視覺的方法。大棗的質(zhì)量測量的難度相對(duì)較大，因此各種自動(dòng)機(jī)械都是依據(jù)大棗的外形尺寸對(duì)其進(jìn)行分級(jí)。自動(dòng)機(jī)械在設(shè)計(jì)上根據(jù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的大小閾值，制作相應(yīng)的間隙或空隙。大棗在機(jī)械中依靠離心力或自身的重力通過相應(yīng)大小的間隙或空隙，從而得到分離。當(dāng)前的大棗自動(dòng)分級(jí)機(jī)械有多種，分級(jí)的部件形式包括帶式、滾筒式和滾杠式等[4]。自動(dòng)分級(jí)機(jī)械的速度快，效率高，具有較好的通用性，已經(jīng)用于實(shí)際生產(chǎn)；但是自動(dòng)機(jī)械只能針對(duì)果實(shí)的外部尺寸，導(dǎo)致分級(jí)指標(biāo)單一，且分級(jí)過程中的碰撞磨損會(huì)降低品質(zhì)，限制了自動(dòng)機(jī)械的更廣泛應(yīng)用。光電式分級(jí)是采用光電傳感器，通過檢測大棗在移動(dòng)時(shí)對(duì)光線的遮擋時(shí)間來計(jì)算其長度，從而判定級(jí)別并控制執(zhí)行裝置實(shí)現(xiàn)分級(jí)[5]。光電式的分級(jí)精度和自動(dòng)化程度高，分級(jí)過程中沒有接觸引起的磨損，但是與機(jī)械式一樣存在檢測指標(biāo)單一和穩(wěn)定性欠缺的問題，因而還未應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)。

計(jì)算機(jī)視覺是圖像處理技術(shù)的分支，是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息科學(xué)發(fā)展起來的。計(jì)算機(jī)視覺通過專用設(shè)備采集圖像，然后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后用計(jì)算機(jī)處理，可對(duì)各種目標(biāo)特征進(jìn)行分析和識(shí)別。計(jì)算機(jī)視覺的用途非常廣泛，在農(nóng)業(yè)中用于機(jī)械導(dǎo)航、雜草識(shí)別及各種瓜果蔬菜的檢測分級(jí)等[6-10]?；谟?jì)算機(jī)視覺的分級(jí)排除了主觀因素的干擾，且檢測精度高，能實(shí)現(xiàn)無損操作。人們對(duì)計(jì)算機(jī)視覺在大棗分級(jí)中的應(yīng)用進(jìn)行了大量研究和實(shí)踐，設(shè)計(jì)了各種自動(dòng)分級(jí)設(shè)備，并建立了針對(duì)不同性狀的檢測方法和算法，但目前其分級(jí)的實(shí)時(shí)性和質(zhì)量需要提高[11-13]。本文基于計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種大棗的品質(zhì)檢測分級(jí)系統(tǒng)，以其大小和質(zhì)量為依據(jù)進(jìn)行分級(jí)，旨在為我國大棗產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供技術(shù)支撐。

1　系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理及組成

1.1　原理

品質(zhì)檢測分級(jí)系統(tǒng)是大棗放置在傳送帶上隨其移動(dòng)，經(jīng)過拍照箱時(shí)由相機(jī)拍攝圖像，然后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳輸給計(jì)算機(jī)；傳送帶軸承上安裝的霍爾元件實(shí)時(shí)檢測其運(yùn)動(dòng)速度，發(fā)送給計(jì)算機(jī)；計(jì)算機(jī)計(jì)算拍攝頻率，并向相機(jī)發(fā)出指令，控制開啟拍攝的時(shí)機(jī)；拍攝的大棗圖像由計(jì)算機(jī)中安裝的視覺軟件處理分析，提取大小和尺寸特征，計(jì)算質(zhì)量并作為依據(jù)對(duì)每個(gè)大棗進(jìn)行分級(jí)。計(jì)算機(jī)根據(jù)分析結(jié)果向分級(jí)執(zhí)行裝置發(fā)出指令，控制各個(gè)大棗進(jìn)入相應(yīng)的通道中實(shí)現(xiàn)分級(jí)。系統(tǒng)工作的原理如圖1所示。

圖1　檢測分級(jí)系統(tǒng)的工作原理

1.2　系統(tǒng)組成

檢測分級(jí)系統(tǒng)主要由傳送帶、計(jì)算機(jī)視覺模塊和分級(jí)執(zhí)行裝置組成。工作時(shí)，大棗被放置在傳送帶上移動(dòng)，傳送帶寬度0.3m；傳送帶前端的軸承上安裝1個(gè)HEX-302型霍爾元件，用于測定傳送帶的實(shí)時(shí)速度，并傳送給計(jì)算機(jī)。分級(jí)執(zhí)行裝置安裝在傳送帶的末端，包括4個(gè)分級(jí)通道；分級(jí)裝置接收計(jì)算機(jī)的指令，控制氣泵的開啟，利用氣吹結(jié)合擋板的方式將大棗送入相應(yīng)的通道內(nèi)實(shí)現(xiàn)分級(jí)。

計(jì)算機(jī)視覺模塊包括拍照箱和核心計(jì)算機(jī)。拍照箱為0.4m×0.3m×0.5m的長方體，兩側(cè)開孔便于傳送帶運(yùn)行。拍照箱內(nèi)部為黑色，安裝1盞15W的環(huán)形白熾燈作為光源，以及1臺(tái)尼康D760型數(shù)碼相機(jī)。數(shù)碼相機(jī)由核心計(jì)算機(jī)控制開啟拍攝，拍照范圍0.4m×0.3m。拍攝形成的圖像為JEPG格式，經(jīng)過FQ-WLQ型轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)碼信號(hào)后發(fā)送給核心計(jì)算機(jī)分析處理。核心計(jì)算機(jī)為惠普286型，安裝Windows10操作系統(tǒng)、Intel i3處理器和4G內(nèi)存，運(yùn)行速度快，性能穩(wěn)定，能夠滿足實(shí)時(shí)檢測分級(jí)的要求。計(jì)算機(jī)視覺軟件為MatLab7.0工具箱，用于圖像的處理分析。

2　圖像分析

拍攝的大棗圖像為大小640×480的JEPG彩色圖像，背景為黑色傳送帶，干制大棗為深紅色。拍攝時(shí)大棗處于運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，影響了圖像的質(zhì)量，不利于后續(xù)的分析處理。因此，采用3×3的中值濾波對(duì)圖像進(jìn)行平滑處理，消除噪音，得到了質(zhì)量增強(qiáng)的圖像，如圖2所示。

原始圖像的背景簡單，且識(shí)別目標(biāo)與背景的顏色差異明顯，直接用RGB色彩空間進(jìn)行處理。識(shí)別的目標(biāo)為深紅色，因此RGB空間中的B分量具有顯著的峰值特征，可以得到更好的目標(biāo)分割和特征識(shí)別效果。這里基于B分量，采用閾值分割法對(duì)圖像進(jìn)行灰度化處理，如圖3所示。

圖2　大棗的原始圖像

圖3　大棗的灰度化圖像

經(jīng)過灰度化后的圖像，再通過HIS加權(quán)進(jìn)行二值化處理，消除小塊陰影面積和各種噪音點(diǎn)；然后根據(jù)B分量的峰值特征設(shè)定灰度閾值，進(jìn)行圖像分割；最后選擇Sobel算子提取識(shí)別目標(biāo)的邊緣，從而獲得大棗的輪廓，如圖4所示。

圖4　大棗的輪廓提取

大棗的尺寸和質(zhì)量都是重要的品質(zhì)特征。尺寸是質(zhì)量的外觀表現(xiàn)，長寬不同的大棗可能具有相同的質(zhì)量。因此，利用計(jì)算機(jī)視覺檢測大棗的尺寸，然后依據(jù)尺寸與質(zhì)量之間的相關(guān)性計(jì)算質(zhì)量，并作為依據(jù)劃分等級(jí)。隨機(jī)選取50個(gè)干棗進(jìn)行編號(hào)，用天平測量質(zhì)量，然后用該系統(tǒng)檢測它們的尺寸。選擇的特征參數(shù)為大棗輪廓最小外截矩形的長和寬，能夠分別反映大棗外形的縱軸和橫軸。用這50個(gè)干棗作為建模集，建立尺寸與質(zhì)量之間的回歸方程，以3個(gè)質(zhì)量3.5、4.0、4.5g為閾值，將大棗劃分為4級(jí)、3級(jí)、2級(jí)和1級(jí)，如圖5所示。

圖5　大棗的分級(jí)

3　試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1　試驗(yàn)設(shè)計(jì)

通過試驗(yàn)對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和精確度進(jìn)行了驗(yàn)證，采用的大棗品種為新疆干棗。用天平稱量單個(gè)大棗的質(zhì)量并分級(jí)，選取每個(gè)等級(jí)的大棗各50個(gè)編號(hào)。各等級(jí)的大棗混合在一起用系統(tǒng)進(jìn)行檢測分級(jí)，傳輸帶運(yùn)行速度為0.5m/s，相機(jī)拍攝間隔0.8s。計(jì)算質(zhì)量的方程為W=0.0034x+0.0041y-1.67。其中，W為質(zhì)量(g)；x和y分別為最小外截矩形的長和寬(pixel)。最后調(diào)查分級(jí)結(jié)果，統(tǒng)計(jì)準(zhǔn)確率。

3.2　試驗(yàn)結(jié)果和分析

試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。由表1可知：系統(tǒng)對(duì)1級(jí)大棗的識(shí)別準(zhǔn)確率為96%，有2粒被誤判為2級(jí)；對(duì)2級(jí)的識(shí)別準(zhǔn)確率為94%，分別有2粒和1粒被誤判為1級(jí)和3級(jí)；對(duì)3級(jí)的識(shí)別準(zhǔn)確率為92%，分別有1粒和3粒被誤判為2級(jí)和4級(jí)；對(duì)4級(jí)的識(shí)別準(zhǔn)確率為94%，分別有1粒和2粒被誤判為2級(jí)和3級(jí)。從整體來看，系統(tǒng)對(duì)大棗的檢測分級(jí)具有很高的準(zhǔn)確度，達(dá)到94%。處理單張圖片平均耗時(shí)0.5s，能夠滿足實(shí)時(shí)分級(jí)的要求，配合傳輸帶運(yùn)行速度時(shí)的分級(jí)效率為20個(gè)/s。

表1　大棗分級(jí)的準(zhǔn)確率

4　結(jié)論

1)建立了一個(gè)基于計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的大棗品質(zhì)檢測分級(jí)系統(tǒng)。系統(tǒng)拍攝傳送帶上的大棗圖像，傳入計(jì)算機(jī)中進(jìn)行灰度化、圖像分割和輪廓提?。蝗缓笠宰钚⊥饨鼐匦蔚拈L寬為參數(shù)，計(jì)算大棗重量并以此劃分等級(jí)。系統(tǒng)對(duì)各級(jí)大棗的識(shí)別準(zhǔn)確率為92%～96%，整體平均為94%，具有很高的精準(zhǔn)度。系統(tǒng)處理單幅圖像的耗時(shí)為0.5s，能夠滿足自動(dòng)分級(jí)的要求。在傳送帶運(yùn)行速度0.5m/s、拍攝間隔0.8s時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)20個(gè)/s的分級(jí)效率，能夠用于大棗的自動(dòng)化分級(jí)。

2)與目前已經(jīng)報(bào)導(dǎo)的基于計(jì)算機(jī)視覺的大棗檢測分級(jí)研究相比，本系統(tǒng)僅檢測兩個(gè)代表性的特征參數(shù)，減少處理過程中的計(jì)算量，提高了圖像處理的速度和分級(jí)效率。本文僅用新疆干棗對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了驗(yàn)證，若應(yīng)用于其他品種的大棗，則需要對(duì)計(jì)算質(zhì)量的方程進(jìn)行優(yōu)化，才能保證較高的分級(jí)準(zhǔn)確率。