基于機器視覺技術(shù)的水果分級方法及應(yīng)用研究

摘 要：水果產(chǎn)業(yè)一直以來都是農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的重要組成部分，其市場前景備受矚目，然而，隨著水果市場需求日益增長，水果分級的效率和準確性成為亟待改進的重點。機器視覺作為一種新興科學(xué)技術(shù)，在水果分級領(lǐng)域有巨大的發(fā)展空間。本文從我國水果分級現(xiàn)狀入手，分析機器視覺技術(shù)及其對水果分級帶來的好處，對中國現(xiàn)有的機器視覺分級技術(shù)進行簡述，深入剖析現(xiàn)代化先進的水果分級技術(shù)及其設(shè)備難以在生產(chǎn)生活實施的問題，提出相應(yīng)的解決措施，希望為我國水果市場的蓬勃發(fā)展和水果分級領(lǐng)域的研究創(chuàng)新做出積極貢獻。

關(guān)鍵詞：機器視覺；水果分級；分級方法；供應(yīng)鏈

一、引言

在當(dāng)今“質(zhì)享”經(jīng)濟的大趨勢下，大眾消費水平和膳食營養(yǎng)水平都在持續(xù)提升，大眾對水果消費行為由剛需食品消費轉(zhuǎn)變?yōu)樾蓍e零食消費，對水果的消費需求也從功能性需求過渡到品質(zhì)化需求。消費者對水果價格的整體敏感度下降，水果行業(yè)從性價比競爭逐漸走向品質(zhì)化競爭，消費者更加看重水果的新鮮度、品質(zhì)、營養(yǎng)價值。然而，中國水果市場被進口水果沖擊嚴重。根據(jù)聯(lián)合國商品貿(mào)易庫的數(shù)據(jù)，中國是世界上最大的水果和蔬菜生產(chǎn)國，表觀消費量遠超排名第二的國家，但是水果銷售以本國消費為主，參與貿(mào)易的比例一直很低。

造成這樣的原因是農(nóng)民組織化程度低、產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)薄弱、水果采收和流通設(shè)施落后、農(nóng)產(chǎn)品流通渠道較長且復(fù)雜，水果采摘之后只按照大小和重量進行簡單的分級，分級程度差、時效性低、流通周期長、物流成本高、腐損浪費嚴重。所以，將機器視覺等各項技術(shù)應(yīng)用于水果分級，提升水果流通效率，減少水果浪費，是推進產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型和市場擴大的關(guān)鍵。

二、我國水果分級現(xiàn)狀

目前我國國內(nèi)水果商品化處理過程中的清潔、打蠟設(shè)備已經(jīng)比較成熟，關(guān)鍵在于分級技術(shù)比較落后，還未有十分健全的水果分級設(shè)備。

傳統(tǒng)的水果分級方式主要有人工檢測和機械檢測。人工檢測大多是由農(nóng)民自行揀選或招募工人，不僅費時費力費錢，耽誤水果最佳食用時間，而且分級標準不統(tǒng)一，分類的效率容易受到人們的情緒、疲勞程度以及身體狀況等因素的影響。傳統(tǒng)的機械分級也只是根據(jù)水果的大小和質(zhì)量進行分級，而無法對水果的成熟度、顏色、表面缺陷等指標進行精確檢測，也就無法有效實現(xiàn)水果的品質(zhì)分級，而且會對水果造成一定程度的機械損傷，在檢測的過程中粗暴的運輸方式容易碰傷水果，水果一旦受到損傷，其保質(zhì)期就會被縮短，慢慢變得腐爛。

水果分級的指標分為外部品質(zhì)和內(nèi)部品質(zhì)，傳統(tǒng)的人工與簡易機械分級方式大多是對于外部品質(zhì)的分級，無法兼顧水果內(nèi)部品質(zhì)。同時，現(xiàn)行的水果內(nèi)部品質(zhì)檢測方法應(yīng)用最多的是化學(xué)分析法，通過對少量的樣本進行破壞和內(nèi)部檢測來判定整批水果的品質(zhì)，可靠性和穩(wěn)定性都比較低。

三、機器視覺技術(shù)概述

機器視覺是一種利用計算機和攝像機等設(shè)備，通過對圖像和視頻進行采集、處理、分析和理解，實現(xiàn)模擬和模仿人類視覺系統(tǒng)的技術(shù)。機器視覺結(jié)合了計算機視覺、圖像處理、模式識別、深度學(xué)習(xí)等多個學(xué)科領(lǐng)域的方法和技術(shù)，對采集到的圖像或視頻數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，包括去噪、增強對比度、圖像配準、圖像矯正等，然后通過圖像處理算法和特征提取方法，從圖像或視頻中提取出有用的特征信息，如邊緣、紋理、顏色、形狀等，之后根據(jù)事先定義好的目標類別，利用特定的算法和模型，在圖像或視頻中檢測和跟蹤目標物體的位置、軌跡和狀態(tài)，再將提取到的特征與事先建立好的模型進行比較和匹配，以實現(xiàn)目標的識別與分類。

機器視覺技術(shù)的主要目標是使機器能夠從圖像或視頻數(shù)據(jù)中獲取信息，并根據(jù)這些信息做出相應(yīng)的決策或執(zhí)行特定的任務(wù)，對實時場景進行感知、識別和理解，從而實現(xiàn)自動化、智能化和高效率的應(yīng)用。

四、基于機器視覺技術(shù)的水果分級方法的優(yōu)點

1.提高分級的準確性

基于機器視覺的水果品質(zhì)分級方法是通過深度學(xué)習(xí)等圖像識別技術(shù)進行水果品質(zhì)分級，可以從水果特征的多個方面提供高度準確的分級，不僅可將腐爛果、傷殘果、畸形果、病蟲危害嚴重的不合格果剔除，使同一級別水果大小整齊，外形美觀，便于包裝、貯運、稱重和銷售，而且可以對水果的內(nèi)部品質(zhì)進行檢測。

2.提高生產(chǎn)效率

基于機器視覺的自動化分級系統(tǒng)能夠處理大量的水果，迅速而精確地進行分類，減少了人工操作，大大縮短了貨物送達的時間，提高了生產(chǎn)效率。相比傳統(tǒng)的手工分級方式，基于機器視覺的自動化水果分級系統(tǒng)能夠在更短的時間內(nèi)完成更多的工作，同時減少了人為因素對分級結(jié)果的影響，降低了生產(chǎn)成本。

3.增強產(chǎn)品的品牌價值

消費者在購買水果時往往會重視品質(zhì)、新鮮度和外觀等因素，通過使用機器視覺自動水果分級系統(tǒng)，可以向消費者提供不同品質(zhì)的水果產(chǎn)品，并且確保這些產(chǎn)品都符合相應(yīng)品質(zhì)的標準，保證水果的質(zhì)量穩(wěn)定性和外觀美觀度，從而增強了產(chǎn)品的競爭力，有效提升品牌的價值和聲譽，吸引更多的消費者，擴大市場份額。

4.適應(yīng)市場需求

分級具有靈活性，將機器視覺與大數(shù)據(jù)分析技術(shù)結(jié)合，可以根據(jù)市場需求和趨勢進行調(diào)整和預(yù)測。如果某種特定等級或品質(zhì)的水果需求上升，該分級方法可以相應(yīng)地增加該等級或品質(zhì)的水果分類，以滿足消費者的需求。同時，如果市場對某種品質(zhì)的水果需求下降，也可以相應(yīng)地減少該品質(zhì)的水果分類，以避免可能的庫存過剩和損失。

5.提高衛(wèi)生標準

采用現(xiàn)代技術(shù)的水果分級方式可以最大限度地減少人員介入，從而降低了潛在的衛(wèi)生風(fēng)險，使得水果更符合食品安全標準，對于提高消費者對水果的信任度和滿意度具有重要意義。同時，安全衛(wèi)生的生產(chǎn)過程也更符合國外出口產(chǎn)品的標準，有利于打開海外市場。

五、基于機器視覺技術(shù)的水果分級方法研究現(xiàn)狀

以下是我國學(xué)者運用機器視覺相關(guān)技術(shù)從水果的外部缺陷、顏色、形狀、含糖量4個方面對水果分級的相關(guān)研究。

1.外部缺陷

馬秀麗（2011）提出應(yīng)用視覺注意力選擇機制對獲取到的水果圖像進行缺陷檢測，實驗表明基于注意力選擇的檢測結(jié)果更接近人對缺陷的判定，檢測準確率達到97.7%。在正確檢測到水果表面缺陷的基礎(chǔ)上，通過計算缺陷區(qū)域灰度共生矩和顏色矩來提取缺陷區(qū)域的紋理特征和灰度特征，并使用支持向量機的方法對缺陷區(qū)域進行分類，識別率能達到較滿意的效果，為95.8%。邱鵬等（2023）在香梨表面損傷識別的研究中，采用CNN和圖像分割來實現(xiàn)損傷的自動檢測和識別，利用平均灰度值方法、特征提取和CNN分類器的設(shè)計與訓(xùn)練，進行了表面缺陷分類檢測，準確率可以達到 91%。

2.顏色

馬秀麗（2011）針對彩色空間色度分量存在不連續(xù)點的問題，提出了色度旋轉(zhuǎn)方法，將彩色平面逆時針旋轉(zhuǎn)120°，然后對經(jīng)過色度Hue旋轉(zhuǎn)的色度分量進行直方圖分析，以獲取不同顏色類別水果的色度變化范圍，最后使用最小距離分類器對其進行分類，可得到97.2%的準確率。饒秀勤等（2009）提出了一種基于面積加權(quán)直方圖的水果表面顏色特征提取方法，利用水果的H分量面積加權(quán)直方圖提取水果表面顏色，補償水果表面曲率變化引入的檢驗誤差，在模式識別部分采用了主成分分析方法和馬氏距離分析方法對水果表面顏色進行分級，總的分級誤差僅為1.75%。

3.形狀

姚立健等（2012）采用數(shù)字圖像處理的方法，對RGB圖像進行預(yù)處理，用一個與水果目標具有同樣二階矩的橢圓來近似表示水果的形狀，然后通過RP算法訓(xùn)練，得到一個具有9個隱層神經(jīng)元的 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，平均正確率為 92.5%。孫曉杰（2023）提出了一種優(yōu)化型殘差神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的蘋果外觀品質(zhì)分級方法，以ResNet-34為基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，將殘差單元中的標準卷積替換為分組卷積，以降低模型的參數(shù)量和時間復(fù)雜度，加入Channel Shuffle實現(xiàn)組間混合通信和分組信息融合，使所提取的圖像特征更加豐富，同時引入通道注意力機制 ECA 模塊增強關(guān)鍵信息、抑制無用信息，提高模型特征表達能力，最后用并行池化替換傳統(tǒng)單一池化層，進而最大限度地保留特征信息。

4.含糖量

李軍良（2011）通過比較發(fā)現(xiàn)，從水果的近紅外光譜數(shù)據(jù)中提取出主成分特征，采用信息融合技術(shù)，在特征層融合DSP和近紅外光譜儀兩種不同傳感器的信息，建立了與近紅外信息融合的蘋果內(nèi)部品質(zhì)糖度分級模型，其分級正確率更高。黃星奕等（2012）運用SUV對杏干近紅外光譜進行預(yù)處理，分別采用偏最小二乘法（PLS）、向后區(qū)間偏最小二乘法（biPLS）和聯(lián)合區(qū)間偏最小二乘法（siPLS）建立杏干糖度的近紅外光譜模型并進行比較，得出用近紅外光譜技術(shù)結(jié)合biPLS 法能快速無損地檢測杏干糖度。

六、水果分級技術(shù)應(yīng)用的問題分析及解決措施

雖然我國已有很多關(guān)于水果分級方面的研究，但是大多都停留在理論層面，受諸多因素的限制，難以做到真正落地實施，以下是關(guān)于用機器視覺及相關(guān)技術(shù)在水果分級中應(yīng)用的問題分析及解決措施。

1.問題分析

（1） 相關(guān)設(shè)施設(shè)備建設(shè)成本高

實施水果分級需要一系列先進的設(shè)備和設(shè)施，如光電分選機、傳輸帶、計算機系統(tǒng)等，這些設(shè)備的采購、安裝和維護費用均較高，對于一些規(guī)模較小或經(jīng)濟薄弱的水果種植戶而言負擔(dān)較大。此外，大規(guī)模的設(shè)施建設(shè)還需要消耗大量的人力、物力資源，導(dǎo)致實施難度增加。

（2） 運行實施需要專業(yè)化知識

水果分級涉及復(fù)雜的光學(xué)識別技術(shù)、計算機圖像處理和數(shù)據(jù)分析等方面的知識，需要專業(yè)人士進行操作和維護。然而，我國在這方面的人才儲備相對較少，從事人工水果分級的大多為農(nóng)村剩余勞動力，缺乏具備專業(yè)知識的技術(shù)人員、農(nóng)民和經(jīng)營者，難以有效地操作和管理分級設(shè)備，這也限制了水果分級實施的范圍和效果。

（3） 分級的設(shè)施設(shè)備存在適應(yīng)性問題

水果的大小、形狀、顏色和品質(zhì)各不相同，現(xiàn)在的分級研究大多是針對單一品種或外觀相似品質(zhì)的水果，難以適應(yīng)眾多水果品種的分級要求。分級過程中，水果的外觀可能受到光照、濕度和其他環(huán)境因素的影響，這可能導(dǎo)致系統(tǒng)的性能受到波動，分級結(jié)果不準確。

（4） 初期使用時數(shù)據(jù)標注困難

機器視覺等多種技術(shù)組合的水果分級系統(tǒng)通常依賴大量的訓(xùn)練數(shù)據(jù)來學(xué)習(xí)識別和分級，數(shù)據(jù)的標注過程是耗時且昂貴的，在分級系統(tǒng)正式投入使用之前還需要經(jīng)過多次調(diào)試，不適宜保鮮期較短的水果。

（5） 分級標準不一致

水果分級必須確保分級的準確性，以滿足市場的質(zhì)量標準，但是我國還沒有關(guān)于水果的分級標準體系，各地區(qū)、各企業(yè)甚至各個環(huán)節(jié)的分級標準不盡相同，極大地限制了水果的流通。

2.解決措施

（1） 提供資金或設(shè)備租賃計劃

政府可以通過農(nóng)業(yè)補貼計劃、農(nóng)業(yè)發(fā)展項目或資金援助，以協(xié)助農(nóng)民和農(nóng)業(yè)企業(yè)購買智慧化水果分級設(shè)備或技術(shù)。農(nóng)業(yè)合作社和農(nóng)業(yè)企業(yè)可以建立共享設(shè)備或設(shè)備租賃計劃，將設(shè)備成本分攤給多個農(nóng)戶，降低每個農(nóng)戶的成本，減輕農(nóng)民的負擔(dān)。金融機構(gòu)可以提供農(nóng)民和農(nóng)業(yè)企業(yè)購買先進的水果分級技術(shù)所需的融資支持。

（2） 提供培訓(xùn)和技術(shù)支持

由技術(shù)供應(yīng)商安排具有豐富技術(shù)知識和經(jīng)驗的專業(yè)培訓(xùn)師，根據(jù)不同用戶群體的需求進行培訓(xùn)計劃的定制，包括農(nóng)民、工人和技術(shù)維護人員。建立涵蓋操作設(shè)備的基本培訓(xùn)、維護和故障排除的培訓(xùn)以及安全培訓(xùn)等全面的培訓(xùn)計劃。提供易于理解的培訓(xùn)材料，如用戶手冊、視頻教程和圖形說明等，這些材料可以幫助用戶在培訓(xùn)結(jié)束后繼續(xù)參考和學(xué)習(xí)。設(shè)立熱線電話或在線支持渠道，以便用戶能夠在需要時獲得技術(shù)支持。培訓(xùn)內(nèi)容也需要根據(jù)技術(shù)發(fā)展定期更新，反映最新的技術(shù)和最佳應(yīng)用方法。政府和農(nóng)業(yè)組織可以提供財政支持，盡量減少或減免培訓(xùn)費用，以確保培訓(xùn)的普及性。

（3） 將基于機器視覺的水果分級作為供應(yīng)鏈的一環(huán)

水果在收獲后，經(jīng)過采集后立即送入分級設(shè)備，根據(jù)市場需求，設(shè)備根據(jù)水果的大小、重量、顏色和質(zhì)量等參數(shù)將水果精確、高效地劃分為不同等級，加快供應(yīng)鏈的響應(yīng)速度，減少等待時間，確保高質(zhì)量的產(chǎn)品進入高端市場，而次級產(chǎn)品則可以用于加工或其他用途，最大限度地提高收益，減少浪費。同時水果分級系統(tǒng)記錄和存儲每個水果相關(guān)的數(shù)據(jù)，如產(chǎn)地、收獲日期和分級結(jié)果，這有助于供應(yīng)鏈追溯和質(zhì)量控制，提高了產(chǎn)品的安全性和可追溯性。還可以對供應(yīng)商的產(chǎn)品信息進行實時反饋，經(jīng)市場需求預(yù)測和調(diào)研后，收購商可根據(jù)需求信息選擇合適的供應(yīng)商，以適應(yīng)市場變化，減少因產(chǎn)品不符合市場需求而造成的浪費。

（4） 繼續(xù)深入對水果分級方式方法的研發(fā)

開發(fā)通用的水果分級算法和系統(tǒng)，不只針對單一的水果品種，甚至可以開發(fā)對于各類蔬菜的分級系統(tǒng)。提高水果分級系統(tǒng)的適應(yīng)性，在不同光照、溫度、濕度的環(huán)境條件下都能實現(xiàn)高精度、高效率的分級。不僅要注重外部品質(zhì)的分級，內(nèi)部品質(zhì)也同等重要，加強對于水果內(nèi)、外部品質(zhì)相結(jié)合的水果分級系統(tǒng)的研發(fā)。

（5） 制定相對統(tǒng)一的水果分級標準和行業(yè)規(guī)范

我國政府機構(gòu)、農(nóng)業(yè)協(xié)會、行業(yè)組織應(yīng)共同努力協(xié)調(diào)，制定統(tǒng)一的水果分級標準并大力推廣實施。鼓勵國家標準與國際標準對接，以確保國內(nèi)生產(chǎn)的產(chǎn)品符合國際市場的需求，擴大產(chǎn)品的出口機會。政府和相關(guān)組織提供培訓(xùn)和教育，以確保生產(chǎn)者、包裝廠和果蔬分級設(shè)備的操作員乃至消費者了解和遵守標準。建立質(zhì)量認證體系，對符合標準的產(chǎn)品進行認證，提高產(chǎn)品的信譽和市場競爭力。加強監(jiān)督和執(zhí)法，確保水果分級標準得到有效執(zhí)行，對不符合標準的產(chǎn)品進行處罰，確保市場上的產(chǎn)品質(zhì)量和安全。

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