蛋品質(zhì)圖像檢測自動傳送裝置的設(shè)計*

余 念，于亞萍※，劉 源，韓雅文，李留安，趙 喆

（1.天津農(nóng)學(xué)院工程技術(shù)學(xué)院，天津 300384；2.天津農(nóng)學(xué)院動物醫(yī)學(xué)與動物科學(xué)學(xué)院，天津 300384；3.金洼農(nóng)業(yè)科技發(fā)展有限公司，天津 300273）

0 引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，食品安全問題得到了廣大民眾的關(guān)注。雞蛋作為人們?nèi)粘Ｉ钪忻刻於紨z入的食物，其對蛋品質(zhì)的質(zhì)量要求就越來越高。傳統(tǒng)的人工肉眼對蛋品質(zhì)進(jìn)行檢測的方法，分揀速度慢，而且受主觀因素影響大，分揀標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，已經(jīng)滿足不了社會需求，亟需采用自動化檢測與分揀方式。現(xiàn)階段，國內(nèi)外普遍采用的檢測方法有：機(jī)器視覺技術(shù)檢測、光學(xué)特性檢測、聲學(xué)沖擊特性檢測及介電特性檢測等[1-2]?；趫D像處理的蛋品質(zhì)檢測技術(shù)越來越成熟，主要檢測雞蛋的品質(zhì)參數(shù)有重量[3]、蛋形指數(shù)[4-5]、裂紋[6]、臟蛋[7]、新鮮度等[8-9]。張世慶[4]通過應(yīng)變片式傳感器動態(tài)檢測質(zhì)量，用圖像處理的方法檢測雞蛋長短軸。通過提取的圖形進(jìn)行R-B色差法對R-B圖像進(jìn)行自適應(yīng)圖像閾值分割，圖像中存在的其他非目標(biāo)小區(qū)域可采用面積閾值方法直接去除，對每個連通域進(jìn)行處理后，計算雞蛋區(qū)域外接矩形，通過外接矩形長、寬可得到雞蛋長軸和短軸，并計算蛋形指數(shù)。魏萱[6]使用工業(yè)攝像頭完成對雞蛋的數(shù)字圖像采集，通過高斯濾波器、灰度處理等方式將雞蛋圖像進(jìn)行預(yù)處理；然后使用灰度共生矩陣處理圖像，完成對雞蛋圖像紋理特征的提?。煌ㄟ^紋理特征的參數(shù)作為分類依據(jù)，用簇類獨立軟模式法、線性判別分析和偏最小二乘支持向量機(jī)等方式對雞蛋進(jìn)行裂紋識別。通過這樣的方式處理得到的數(shù)據(jù)更加精確，能夠最大限度地提高檢測精度，但該方法側(cè)重于檢測方法的研究，沒有將檢測過程自動化和可視化。在雞蛋品質(zhì)的無損檢測上，檢測的吞吐量主要依賴可靠的自動傳送裝置，本設(shè)計基于圖像檢測完成了一套對雞蛋進(jìn)行傳送的系統(tǒng)，實現(xiàn)了對雞蛋的自動傳送，并通圖像處理完成了雞蛋的縱橫徑及蛋殼顏色檢測。

1 自動傳送裝置系統(tǒng)組成

自動傳送裝置主要外設(shè)由57 步進(jìn)電機(jī)[10-11]、驅(qū)動器DM542、滑臺、暗箱、托盒、LED 燈、電源模塊和攝像頭組成。控制設(shè)備由Arduinor3 開發(fā)板、電機(jī)擴(kuò)展模塊和PC 機(jī)組成。工作流程：由可編程序燒錄后的Arduinor3 開發(fā)板驅(qū)動電機(jī)帶動滑臺完成傳送工作將滑臺上的雞蛋托盒送入圖像檢測裝置；進(jìn)入暗箱后，通過托盒中3×3LED 燈矩陣對雞蛋進(jìn)行透射；從雞蛋進(jìn)入暗箱檢測到出暗箱這一過程中進(jìn)行多次拍攝，每一次可采集一組（9 個雞蛋）圖片數(shù)據(jù)；最后通過PC 端的Matlab 軟件對采集的圖像進(jìn)行處理，得出雞蛋品質(zhì)檢測結(jié)果。系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成

2 自動傳送裝置硬件電路設(shè)計

2.1 檢測部分硬件設(shè)計

圖像檢測單元有LED燈光源、雞蛋托盒、暗箱和攝像頭組成，雞蛋托盒（圖2（a））作為雞蛋承載體，該裝置能將雞蛋穩(wěn)定地盛放在燈光的照射下，使雞蛋在黑暗的環(huán)境中能將輪廓顯現(xiàn)出來[12-13]。托盒的主要制作材料為亞克力板，一次能盛放9 個雞蛋，規(guī)格為180 mm×180 mm×100 mm。檢測暗箱（圖2（b））作為檢測裝置的關(guān)鍵外設(shè)，可以避免環(huán)境因素給雞蛋檢測結(jié)果帶來的影響，暗箱的主要制作材料為亞克力板。攝像頭采用USB接口，能直接連接計算機(jī)進(jìn)行圖像采集，分辨率為1 024×1 080。通過該設(shè)備能完成對雞蛋圖像的采集工作，同時將采集到的圖片上傳到PC機(jī)，為檢測雞蛋做準(zhǔn)備。

圖2 雞蛋托盒與檢測暗箱設(shè)計

2.2 雞蛋自動傳送裝置

電機(jī)滑臺采用FSL40定制方案設(shè)計（圖3），開放式絲桿模組，精度可達(dá)0.03 mm，最大水平負(fù)載50 kg，最大水平速度500 mm/s，有效行程為1 500 mm。它能在電機(jī)的驅(qū)動下帶動托盒上的雞蛋移動，平穩(wěn)地將雞蛋送入檢測裝置，在指定位置靜止，為攝像頭拍攝清晰照片提供時間。

圖3 電機(jī)滑臺實物

整個傳送裝置電路由開發(fā)板電路與電機(jī)驅(qū)動電路兩部分組成。在開發(fā)板電路中分別有電源電路、主控芯片電路、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動信號電路、按鍵控制電路加上屏幕接口電路。在電機(jī)驅(qū)動電路中有電源電路和驅(qū)動器信號電路。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器采用DM542，驅(qū)動57BY 步進(jìn)電機(jī)帶動滑臺傳送雞蛋，電路連接如圖4所示。

圖4 傳送裝置電路

3 自動傳送裝置軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)軟件工作流程如圖5 所示。第一步檢查裝置的安全性；待檢查完畢后給裝置通電，觀察狀態(tài)燈是否正常亮起，若未正常亮起則斷開電源，再次檢查裝置，若正常亮起則啟動傳送裝置；點擊電機(jī)啟動按鈕，電機(jī)啟動，雞蛋托盒向暗箱移動，觀察攝像頭畫面，查看雞蛋托盒是否進(jìn)入檢查暗箱中心位置，若未到達(dá)中心位置則繼續(xù)移動，若到達(dá)則按下停止按鈕，電機(jī)停止；點擊圖像采集按鈕，觀察圖像采集界面，查看圖像采集是否完整，若不完整則再次點擊采集按鈕，直至圖像完整即可；點擊圖像處理按鈕，圖像依次進(jìn)行灰度處理、二值化處理、縱橫徑測量和蛋殼顏色判別，最后將檢測結(jié)果在上位機(jī)上顯示；按下電機(jī)換向按鈕，傳送裝置反向移動，直至完全出現(xiàn)在暗箱外停止，這樣就完成了一組雞蛋的檢測工作。最終，通過實驗，確定出雞蛋傳送到拍攝位置的時間，并靜止穩(wěn)定拍照后，再傳送出暗箱。可實現(xiàn)手動和自動控制。

圖5 系統(tǒng)軟件工作流程

3.2 電機(jī)控制軟件設(shè)計

電機(jī)控制軟件設(shè)計基于Arduino 開發(fā)板進(jìn)行。軟件功能設(shè)計主要分為電機(jī)啟停、速度調(diào)節(jié)和運(yùn)動方向3 個方面。電機(jī)啟停通過對電機(jī)使能信號的控制；速度調(diào)節(jié)主要通過控制脈沖信號，對脈沖進(jìn)行分頻設(shè)定以實現(xiàn)速度多級調(diào)節(jié)；運(yùn)動方向是直接控制電機(jī)的方向信號。程序流程如圖6所示。

圖6 電機(jī)控制程序流程

3.3 檢測系統(tǒng)功能設(shè)計

設(shè)計人機(jī)交互界面可以更加直觀地將雞蛋檢測過程呈現(xiàn)出來，同時能更加方便地對裝置進(jìn)行控制。該設(shè)計基于Matlab中App design 平臺開發(fā)，界面共有5 個顯示區(qū)域和4 個功能按鍵。顯示區(qū)域包括攝像頭實時畫面、采集圖像、二值化圖像、檢測完畢圖像和檢測結(jié)果數(shù)據(jù)欄；功能按鍵分別為打開/關(guān)閉攝像頭、圖像采集、程序復(fù)位。界面中所有控件的回調(diào)函數(shù)都對應(yīng)著每一項功能程序，通過執(zhí)行控件去完成對圖像的處理。

本系統(tǒng)通過對雞蛋的縱橫徑檢測和蛋殼顏色識別兩個方面的功能對裝置運(yùn)行情況進(jìn)行檢驗。蛋形指數(shù)檢測采用圖像分割處理、灰度處理、二值化處理和縱橫徑測量4 個步驟。檢測結(jié)果如圖7所示。

圖7 縱橫徑檢測結(jié)果

蛋殼顏色識別如圖8 所示。在顏色識別上，對蛋殼顏色為白色、黃色、青色3 種顏色的雞蛋進(jìn)行識別，通過多次實驗得出3種顏色在LED 燈光照射下呈現(xiàn)的顏色色域進(jìn)行識別，調(diào)節(jié)色域值可判斷出紅色面積占比大的為黃色蛋，黑色面積占比大的為青色蛋，剩下的為白色蛋。

圖8 色域分析

4 實驗測試結(jié)果比對

通過對整個裝置的實驗，檢測得到了一些雞蛋相關(guān)的數(shù)據(jù)。對所檢測的雞蛋實際數(shù)據(jù)與實驗所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對分析。抽取其中一組雞蛋進(jìn)行驗證分析，如表1 所示。通過對比分析，可以看出實驗所檢測出的結(jié)果與實驗結(jié)果沒有特別明顯的誤差，在雞蛋顏色區(qū)分上基本能實現(xiàn)100%鑒別，在縱橫徑測量上誤差相對較小，偶爾出現(xiàn)偏差過大的情況，如表1 中5號雞蛋，由于攝像頭不穩(wěn)定，雞蛋圖像中5 號蛋輪廓不清晰，造成檢測數(shù)據(jù)與實際偏差過大。

表1 實驗數(shù)據(jù)對比分析

5 結(jié)束語

本文主要完成了基于圖像檢測自動傳送裝置的設(shè)計，包括對雞蛋檢測環(huán)境、自動傳送部分和上位機(jī)顯示與控制部分進(jìn)行了設(shè)計。通過裝置對雞蛋縱橫徑檢測與蛋殼顏色的識別進(jìn)行了實驗，并將得到的實驗數(shù)據(jù)與實際測試結(jié)果進(jìn)行對比分析，本裝置基本可以完成預(yù)期目標(biāo)。但本裝置存在以下不足：一是裝置的工作效率偏低；二是檢測參數(shù)偏少。本次設(shè)計一次只能檢測9 個雞蛋，并且只完成了對雞蛋縱橫徑測量和蛋殼顏色鑒別兩種品質(zhì)參數(shù)的檢測工作。后續(xù)工作可以在提高效率與蛋品質(zhì)參數(shù)多樣化方面進(jìn)一步研究。