基于高光譜技術(shù)的蘋(píng)果損傷檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)

方拓展 王宇翔 楊紫合

摘 要：以蘋(píng)果為研究對(duì)象，基于高光譜成像技術(shù)對(duì)蘋(píng)果的機(jī)械損傷進(jìn)行檢測(cè)，設(shè)計(jì)了以挑選出的529 nm、622 nm和970 nm這3種波長(zhǎng)的點(diǎn)光源半導(dǎo)體激光器作為光源，實(shí)時(shí)采集3種波長(zhǎng)下的蘋(píng)果圖像，并檢測(cè)標(biāo)記損傷區(qū)域的采集檢測(cè)裝置。系統(tǒng)使用SVM分類(lèi)算法，利用Matlab GUI制作圖像檢測(cè)界面，判斷拍攝區(qū)域是否存在損傷，并將判斷為損傷的區(qū)域標(biāo)記到蘋(píng)果圖像中。本采集檢測(cè)裝置可以實(shí)現(xiàn)3種波長(zhǎng)下圖像的自動(dòng)采集和保存，并能基本完成蘋(píng)果損傷的初步檢測(cè)。

關(guān)鍵詞：高光譜技術(shù)；蘋(píng)果損傷檢測(cè)；裝置設(shè)計(jì)

文章編號(hào)： 1005-2690（2018）03-0111-02 中圖分類(lèi)號(hào)： TN215 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

1 引言

1.1 研究目的及意義

我國(guó)蘋(píng)果出口量已居全球前列，但僅占國(guó)內(nèi)總產(chǎn)量的2.5%左右，其中一個(gè)重要原因是傳統(tǒng)的水果檢測(cè)技術(shù)很難區(qū)分蘋(píng)果在采摘及銷(xiāo)售過(guò)程中產(chǎn)生的機(jī)械損傷。隨著時(shí)間的積累，受損區(qū)域可嚴(yán)重影響蘋(píng)果的品質(zhì)，這就需要發(fā)展一種快速、高效、無(wú)破壞性的檢測(cè)技術(shù)來(lái)檢測(cè)蘋(píng)果損傷情況。高光譜成像技術(shù)可以對(duì)水果的內(nèi)部品質(zhì)和外部品質(zhì)進(jìn)行快速、無(wú)損檢測(cè)，但價(jià)格昂貴。因此，設(shè)計(jì)了基于高光譜技術(shù)確定的探測(cè)損傷特定波長(zhǎng)進(jìn)行檢測(cè)的裝置。

1.2 主要研究?jī)?nèi)容和技術(shù)路線

本文以蘋(píng)果為試驗(yàn)研究對(duì)象，綜合現(xiàn)有的高光譜圖像信息采集平臺(tái)和前人的試驗(yàn)研究結(jié)果，以529 nm、622 nm和970 nm這3個(gè)特征波長(zhǎng)為光源，設(shè)計(jì)一種能夠?qū)崟r(shí)對(duì)蘋(píng)果圖像進(jìn)行采集、保存的采集裝置，初步實(shí)現(xiàn)蘋(píng)果的損傷檢測(cè)。研究?jī)?nèi)容主要包括以下幾個(gè)部分：人為制造蘋(píng)果機(jī)械損傷；搭建蘋(píng)果的高光譜信息采集試驗(yàn)平臺(tái)采集信息；利用黑白校正方法進(jìn)行高光譜圖像預(yù)處理；完成采集裝置的硬件設(shè)計(jì)；完成采集裝置的軟件設(shè)計(jì)；搭建人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)蘋(píng)果圖像的實(shí)時(shí)采集檢測(cè)和保存。

2 總體方案設(shè)計(jì)

2.1 裝置原理

裝置由功率為10 MW的點(diǎn)光源半導(dǎo)體激光器發(fā)射出相關(guān)光，經(jīng)過(guò)擴(kuò)束鏡照射到試驗(yàn)樣本上，由網(wǎng)絡(luò)攝像頭進(jìn)行拍攝，圖像通過(guò)USB數(shù)據(jù)線傳送到計(jì)算機(jī)中，利用MATLAB軟件對(duì)圖像進(jìn)行處理，檢測(cè)蘋(píng)果的損傷區(qū)域并進(jìn)行標(biāo)記輸出。

2.2 設(shè)備的組成

基于高光譜的蘋(píng)果損傷檢測(cè)裝置主要包括的設(shè)備有半導(dǎo)體激光器（3個(gè)）、擴(kuò)束鏡、網(wǎng)絡(luò)攝像頭、上位機(jī)（PC）、下位機(jī)（單片機(jī)）、繼電器和試驗(yàn)樣本（蘋(píng)果）。系統(tǒng)的實(shí)物圖如圖1所示。

3 裝置硬件方案

具體的方案如圖2所示。

本裝置選用532 nm、635 nm和980 nm的半導(dǎo)體激光器作為光源，用2節(jié)干電池供電。裝置采用羅技Logitech公司生產(chǎn)的高清網(wǎng)絡(luò)攝像頭C310。采用C#開(kāi)發(fā)上位機(jī)控制界面，在控制界面中可打開(kāi)攝像頭，實(shí)時(shí)拍攝并顯示圖像；上位機(jī)與單片機(jī)相互應(yīng)答；單片機(jī)通過(guò)控制繼電器使3個(gè)激光器輪流點(diǎn)亮，并進(jìn)行拍照保存。

本裝置使用Arduino UNO單片機(jī)。選用帶光耦隔離的3V四路繼電器模塊控制激光器供電。主控芯片ATmega328內(nèi)置的UART通過(guò)數(shù)字口0（RX）和1（TX）與外部實(shí)現(xiàn)串行通信。整個(gè)主控電路模塊電路等可參考Atmega328p芯片的技術(shù)文檔和Atmega系列單片機(jī)的設(shè)計(jì)文檔。

4 裝置軟件設(shè)計(jì)

4.1 下位機(jī)硬件及軟件設(shè)計(jì)

本裝置采用Arduino編譯軟件，程序在利用Arduino軟件編譯完成之后用板載的USB線下載進(jìn)單片機(jī)中。單片機(jī)在接收到上位機(jī)的指令之后，控制激光器的亮滅。裝置調(diào)試時(shí)使用ARDUINO自帶的串口監(jiān)視器作為調(diào)試工具。

4.2 上位機(jī)圖像采集及處理界面設(shè)計(jì)

上位機(jī)程序設(shè)計(jì)選用Microsoft Visual studio 2015開(kāi)發(fā)平臺(tái)，程序功能如下：當(dāng)需要采集圖像的時(shí)候打開(kāi)攝像頭，在對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的激光燈開(kāi)啟后采集圖像，保存數(shù)據(jù)；設(shè)置圖像的高度和寬度以及保存格式；實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和單片機(jī)之間的串行通信；實(shí)現(xiàn)圖像的自動(dòng)和手動(dòng)保存，并且選擇保存路徑；在不需要采集圖像的時(shí)候關(guān)閉USB攝像頭，停止圖像采集。

本裝置采用Matlab作為圖像處理軟件界面的開(kāi)發(fā)工具，將蘋(píng)果損傷檢測(cè)各個(gè)處理步驟的代碼封裝成庫(kù)函數(shù)。處理步驟分為圖像校正、區(qū)域分割和掩膜圖像處理、基于SVM蘋(píng)果損傷檢測(cè)進(jìn)行模型搭建和損傷區(qū)域標(biāo)記。

對(duì)以上過(guò)程的代碼封裝完成后，進(jìn)行損傷檢測(cè)軟件界面的設(shè)計(jì)。損傷檢測(cè)軟件界面涵蓋圖像輸入、圖像預(yù)處理、檢測(cè)輸出、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等必要功能。圖像處理軟件界面如圖3～5所示。

5 實(shí)際操作步驟

將寫(xiě)好的單片機(jī)程序燒錄到單片機(jī)中，按照程序設(shè)置相關(guān)的測(cè)試條件。在運(yùn)行上位機(jī)程序之后，點(diǎn)擊Start按鈕打開(kāi)相機(jī)，點(diǎn)擊開(kāi)串口按鈕，在下拉菜單里選擇串口號(hào)，之后點(diǎn)擊ON鍵點(diǎn)亮相應(yīng)的激光燈，點(diǎn)擊Save鍵將圖片保存在相應(yīng)的文檔內(nèi)，并將圖像導(dǎo)入到圖像處理GUI程序中實(shí)現(xiàn)檢測(cè)保存。

6 總結(jié)及不足

6.1 總結(jié)

通過(guò)對(duì)現(xiàn)有檢測(cè)裝置和技術(shù)的研究，提出了一種新的蘋(píng)果損傷檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案；搭建出一套完整的對(duì)蘋(píng)果損傷在3種波長(zhǎng)下的圖像采集的裝置；根據(jù)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案，選擇相應(yīng)的硬件和軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)所需功能。

6.2 不足

控制系統(tǒng)硬件部分集成度較低；系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)需要優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)一鍵檢測(cè)；蘋(píng)果損傷檢測(cè)算法有待優(yōu)化，否則會(huì)錯(cuò)誤地將蘋(píng)果損傷區(qū)域邊緣作為損傷區(qū)域標(biāo)記出來(lái)；購(gòu)買(mǎi)的激光器波長(zhǎng)是近似波長(zhǎng)，因此損傷檢測(cè)結(jié)果并不理想；本設(shè)計(jì)中的串口通信尚未做到上位機(jī)與下位機(jī)相互應(yīng)答。

（收稿日期：2018-02-06）