基于視覺體驗(yàn)的雙孢蘑菇在線自動(dòng)分級(jí)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)*

錢柏英，劉志剛

（1.江西工程學(xué)院，江西 新余 338000；2.新余市博物館傅抱石紀(jì)念館，江西 新余 338000）

雙孢蘑菇（Agaricus bisporus） 是世界性栽培和消費(fèi)的食用菌[1]。最早栽培于法國，有悠久的栽培歷史，而且在世界各地分布十分廣泛，深受世界各族人民的喜愛，已經(jīng)成為了食用菌商品貿(mào)易的主力品種[2]。鮮品、罐裝和鹽漬等多種商品形式的雙孢蘑菇成為了人們餐桌上的美食[3]。雙孢蘑菇不僅含有多種氨基酸和維生素等營養(yǎng)物質(zhì)，還含有多糖等活性物質(zhì)，在醫(yī)藥保健領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用[4]。雙孢蘑菇在我國福建、河南、山東等多地都有栽培，而且工廠化栽培日趨普及，一年四季均可以大批量規(guī)模化生產(chǎn)，一些大的雙孢蘑菇工廠日產(chǎn)量可達(dá)到百噸[5]。

工廠化生產(chǎn)要對(duì)商品雙孢蘑菇進(jìn)行等級(jí)劃分，然后才能貯藏銷售，以便獲得更高的利潤[6]。但目前雙孢蘑菇的分組檢測(cè)多采用人工分揀，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，長時(shí)間工作容易產(chǎn)生視覺疲勞，人工判斷也有一定的誤差，造成商品菇的規(guī)格不統(tǒng)一、存在等級(jí)差別，而且工作效率低下。近年來隨著計(jì)算機(jī)視覺和數(shù)字圖像技術(shù)的不斷發(fā)展，自動(dòng)分揀系統(tǒng)在許多領(lǐng)域得以應(yīng)用[7]。通過利用計(jì)算機(jī)視覺和圖像識(shí)別、測(cè)量技術(shù)對(duì)雙孢蘑菇的大小進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)雙孢蘑菇的破損缺陷進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別，從而實(shí)現(xiàn)雙孢蘑菇的在線自動(dòng)等級(jí)劃分。

1 雙孢蘑菇在線自動(dòng)分級(jí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 雙孢蘑菇的等級(jí)劃分

雙孢蘑菇的等級(jí)根據(jù)加工方式的不同，分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)也不相同。新鮮雙孢蘑菇根據(jù)NY/T 1790-2009雙孢菇等級(jí)規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行[8]，分為特級(jí)、一級(jí)和二級(jí)菇，主要從菇體顏色（主要指標(biāo)是顏色、損傷和色斑）、菇體形狀（主要是外觀形狀、菇柄長度和開傘度）來區(qū)分。新鮮雙孢蘑菇的規(guī)格劃分主要根據(jù)菌蓋直徑分為大、中、小3種，分別要求直徑為“＞4.5 cm” “2.5 cm～4.5 cm”“＜2.5 cm”，其中大、中規(guī)格要求直徑差異要“≤0.8 cm”，小規(guī)格差異“≤0.7 cm”，同時(shí)也規(guī)定了各等級(jí)和規(guī)格的允許誤差范圍。

而加工成罐頭的雙孢菇按GB/T 14151-2006蘑菇罐頭標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，并分為整菇、片菇和碎菇3類，主要依據(jù)指標(biāo)是菌蓋直徑、形狀等，詳見表1。

表1 雙孢蘑菇罐頭分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Grading standards for canned Agaricus bisporus

由表1可以看出，雙孢蘑菇的等級(jí)劃分主要是針對(duì)“菌蓋”部分，因此，自動(dòng)分組系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也主要從菌蓋大小和損傷來進(jìn)行等級(jí)劃分和設(shè)計(jì)。

1.2 雙孢蘑菇在線自動(dòng)分級(jí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

雙孢蘑菇自動(dòng)分級(jí)系統(tǒng)組成見圖1。

圖1 雙孢蘑菇自動(dòng)分級(jí)系統(tǒng)組成Fig.1 Composition of Agaricus bisporus automatic grading system

如圖1所示，雙孢蘑菇自動(dòng)分級(jí)系統(tǒng)主要模塊包括以下幾個(gè)部分：

1）等待檢測(cè)的雙孢菇，需要進(jìn)行分級(jí)檢測(cè)的商品菇。

2）雙孢菇上線輸送機(jī)構(gòu)，用于將“等待檢測(cè)的雙孢菇”從分揀生產(chǎn)線上輸送到待檢區(qū)。

3） 電荷耦合元件CCD（charge-coupled device，CCD）拍照裝置，對(duì)通過檢測(cè)區(qū)的雙孢菇進(jìn)行拍照，為保障圖像質(zhì)量，采用統(tǒng)一的“輔助光照”設(shè)備為攝像頭采光補(bǔ)光。

4） 數(shù)字圖像采集卡，獲取雙孢菇數(shù)字圖像信息，并存儲(chǔ)到相應(yīng)的特征值數(shù)據(jù)庫中。

5） ARM控制器，也稱ARM處理器（advanced RISC machines，ARM），是一種帶有精簡指令集RISC （reduced instruction set computing，RISC） 的處理器架構(gòu)，是自動(dòng)分級(jí)系統(tǒng)的核心控制設(shè)備，采用嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可以控制數(shù)字圖像存儲(chǔ)器的輸入/輸出方式。在本系統(tǒng)中，可以從鍵盤輸入雙孢菇分級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)（如菌蓋直徑、規(guī)格等），在顯示器等輸出設(shè)備上直觀顯示；并與雙孢菇特征值數(shù)據(jù)庫中采集到的雙孢菇圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，從而對(duì)雙孢菇進(jìn)行對(duì)比檢測(cè)。

6）上位機(jī)，用于發(fā)出分級(jí)操控命令，其控制信號(hào)來自ARM控制器發(fā)出的指令。

7）驅(qū)動(dòng)模塊，通過驅(qū)動(dòng)電路放大控制信號(hào)，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)、繼電器或揚(yáng)聲器等設(shè)備工作，利用生產(chǎn)線上的機(jī)械裝置對(duì)不同等級(jí)雙孢菇進(jìn)行分離，從而完成雙孢菇的等級(jí)劃分。該系統(tǒng)利用ARM控制器進(jìn)行控制，系統(tǒng)運(yùn)行安全可靠，而且功耗低、精度高，可以單獨(dú)安裝在原有的雙孢菇生產(chǎn)線上，結(jié)構(gòu)簡單，安裝、調(diào)試和維修都十分方便。

2 雙孢菇數(shù)字圖像處理

在雙孢菇分級(jí)系統(tǒng)中，對(duì)雙孢菇數(shù)字圖像的處理是關(guān)鍵。由于分級(jí)的主要依據(jù)是雙孢蘑菇的菌蓋直徑、顏色和損傷這3組數(shù)據(jù)。因此，圖像的處理是雙孢菇圖像區(qū)域的整體輪廓信息，以獲取雙孢菇圖像的邊界信息，提取出雙孢菇菌蓋輪廓進(jìn)行測(cè)量以得到直徑數(shù)據(jù)，主要流程見圖2。

由圖2可知，雙孢菇圖像的采集系統(tǒng)由CCD攝像機(jī)和圖像采集卡來完成，并由采集卡讀取到計(jì)算機(jī)中保存?zhèn)溆茫瑘D像處理流程主要包括以下幾個(gè)方面。

圖2 雙孢菇數(shù)字圖像處理流程Fig.2 Digital image processing flow of Agaricus bisporus

2.1 圖像的灰度化處理

采集到的雙孢菇圖像是真彩色的高質(zhì)量圖像，但等級(jí)劃分只需要用到其大小（菌蓋直徑）的信息，無需顏色信息。彩色圖像處理費(fèi)時(shí)費(fèi)力，需要將其轉(zhuǎn)化為灰度圖像以便于劃分出雙孢菇的輪廓進(jìn)行計(jì)算。主要采用RGB（red，green，blue） 分量等值化處理，每一個(gè)像素的顏色可以由RGB三原色來進(jìn)行表示。例如紅色為RGB（255，0，0），黃色為RGB（255，255，0）。將這些彩色分量轉(zhuǎn)換為灰色的具體操作是將每一個(gè)像素的參數(shù)設(shè)置為相同數(shù)值，這時(shí)彩色圖像就能轉(zhuǎn)換為灰色圖像。由于雙孢菇的顏色相對(duì)比較單一，因此采用最大值法進(jìn)行灰度處理，取RGB分量的最大值，按下列公式計(jì)算灰度圖像中每個(gè)像素的灰度值。

式中：R，G，B分別為紅、綠、藍(lán)三原色的分量。

可以設(shè)計(jì)如下程序完成灰度化處理。首先，定義RGB分量的3個(gè)浮點(diǎn)型常量進(jìn)行權(quán)值的儲(chǔ)存；其次再依次對(duì)圖像中的每一個(gè)像素點(diǎn)進(jìn)行循環(huán)歷遍，將圖像像素點(diǎn)的R，G，B三個(gè)顏色分量數(shù)值分別進(jìn)行轉(zhuǎn)換，取其最大值進(jìn)行計(jì)算，最終得到的灰度圖像含有（0～255）共256種顏色，將轉(zhuǎn)換后的像素點(diǎn)再輸出即可得到灰度圖像，示例見圖3、圖4。

圖3 RGB彩色圖像Fig.3 The RGB image

圖4 灰度圖像Fig.4 The grey image

如圖3、圖4所示，彩色圖像經(jīng)灰度化處理后轉(zhuǎn)換成灰度圖像。

2.2 圖像二值化處理

得到雙孢菇的灰度圖像后，為了更容易識(shí)別雙孢菇圖像的邊緣輪廓，讓邊緣更加清楚，需要將灰度圖像進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為二值化圖像，降低成黑白（0，1） 2種顏色的圖像，見圖5。

圖5 灰度圖像轉(zhuǎn)換為二值化圖像Fig.5 Conversion of gray image to binary image

如圖5所示為如將圖4中的灰度圖像二值化后可以得到的二值化圖像。這時(shí)，原來的彩色雙孢菇圖像就從三通道RGB（t，t，t）變?yōu)榱藛瓮ǖ赖腃（0） 或C（255） 圖像。

2.3 圖像預(yù)處理

因?yàn)楣庹盏拳h(huán)境的影響，數(shù)字圖像上存在有一些噪聲，如紅眼、反光、粉塵斑點(diǎn)等。需要對(duì)這些噪聲進(jìn)行處理，以提高圖像質(zhì)量。圖像去噪算法有小波變換，傅里葉變換等頻率域?yàn)V波；也有均值、中值、最大值和最小值濾波等空間域?yàn)V波算法。高斯低通濾波是一種空間域?yàn)V波算法，用正態(tài)分布的高斯函數(shù)作為傳遞函數(shù)進(jìn)行線性平滑濾波，從而去除服從正態(tài)分布的噪聲。由于雙孢菇的數(shù)字圖像是二維信號(hào)，因此圖像去噪使用二維高斯函數(shù)作為傳遞函數(shù)，通過高斯濾波將二維高斯函數(shù)降為一維高斯濾波，從而去除噪聲。

2.4 圖像分割

圖像分割的方法主要有邊緣檢測(cè)法、閾值、區(qū)域分割法等，由于分級(jí)系統(tǒng)采用了輔助照明的方式拍攝，因此得到的雙孢菇圖像各部分特征比較明顯，這就使得雙孢菇圖像的紋理比較清楚。而且在計(jì)算菌蓋直徑時(shí)只需要關(guān)注雙孢菇圖像的邊界而不是圖像紋理，因此選擇閾值分割法對(duì)雙孢菇圖像像素灰度進(jìn)行分割，由于雙孢菇圖像內(nèi)部具有相近的灰度級(jí)，而與背景圖像的灰度級(jí)差較大，可以很快進(jìn)行分割，變相地達(dá)到去除雙孢菇圖像紋理的目的，而且圖像分割的實(shí)時(shí)性較好，可以快速檢測(cè)完成雙孢菇圖像的分割。

2.5 雙孢菇菌蓋直徑和破損計(jì)算

雙孢菇菌蓋直徑和破損情況采用像素法進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于無破損的雙孢菇圖像來說，統(tǒng)計(jì)雙孢菇圖像邊界像素點(diǎn)之間的距離，取其中兩兩像間最大的距離做為菌蓋直徑；而對(duì)于菇體有損傷的也可以采用該方法先進(jìn)行計(jì)算，再對(duì)比最大距離和最小距離的差值，如果差值超過設(shè)定的閥值則認(rèn)為菇體有破損。由于雙孢菇圖像的邊緣點(diǎn)存在噪聲，圖像二值化處理后獲得的邊緣點(diǎn)有可能是不連續(xù)的，因此需要根據(jù)邊緣點(diǎn)順序來得到雙孢菇圖像的連續(xù)邊緣。

3 雙孢蘑菇圖像的比對(duì)匹配

系統(tǒng)中已經(jīng)錄入了雙孢菇分級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)模版圖像（即菌蓋直徑、規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)圖像），下面需要對(duì)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)圖像與CCD采集并進(jìn)行過處理的雙孢菇圖像進(jìn)行歸一化，記錄標(biāo)準(zhǔn)圖像和待檢測(cè)雙孢菇圖像的特征信息，通過特征信息的對(duì)比和匹配來確定待檢測(cè)的雙孢菇圖像屬于那個(gè)等級(jí)。

3.1 標(biāo)準(zhǔn)圖像與待檢測(cè)圖像的歸一化

歸一化處理是為了將這兩類大小不一致的圖像使用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比對(duì)，將這兩類圖像統(tǒng)一設(shè)置為大小50×50像素的圖像，以方便快速比對(duì)確定等檢測(cè)雙孢菇的等級(jí)，核心代碼如下。

3.2 特征信息的匹配

歸一化后分別將標(biāo)準(zhǔn)圖像和待檢測(cè)圖像的特征信息提取并儲(chǔ)存，然后對(duì)兩類圖像的提取后的特征信息進(jìn)行比對(duì)和匹配。具體比對(duì)的采用逐行特征值匹配算法，每行特征值相減，相差數(shù)值的絕對(duì)值越大表明匹配度越低，反之則越高。設(shè)定一個(gè)閥值后，就可以自動(dòng)區(qū)劃分出待檢測(cè)的雙孢菇圖像在標(biāo)準(zhǔn)圖像數(shù)據(jù)庫中的范圍，從而確定該雙孢菇的等級(jí)。

4 結(jié)論

國家對(duì)商品雙孢蘑菇的標(biāo)準(zhǔn)和等級(jí)劃分有著十分嚴(yán)格的規(guī)定，主要強(qiáng)調(diào)了菇體要色澤潔白、氣味正常、無破損等，等級(jí)的劃分主要依據(jù)是菌蓋直徑大小和損傷缺陷。采用先進(jìn)的圖像識(shí)別技術(shù)設(shè)計(jì)的雙孢蘑菇自動(dòng)分級(jí)檢測(cè)系統(tǒng)，能夠?qū)Ρ葒业燃?jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)雙孢菇的菌蓋直徑和破損情況進(jìn)行檢測(cè)，確定雙孢菇等級(jí)。該自動(dòng)分級(jí)系統(tǒng)對(duì)雙孢蘑菇的識(shí)別準(zhǔn)確率高、識(shí)別速度快，大大提高了分揀系統(tǒng)的工作效率。后期還需要在雙孢菇的褐變程度、菌柄長短和開傘程度等自動(dòng)化檢測(cè)方面進(jìn)行研究，進(jìn)一步提高雙孢菇造化分級(jí)系統(tǒng)的適應(yīng)性。