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        基于機(jī)器視覺的馬鈴薯智能分級(jí)系統(tǒng)

        2014-12-20 02:00:18鄧立苗韓仲志
        食品與機(jī)械 2014年5期
        關(guān)鍵詞:智能信號(hào)檢測(cè)

        鄧立苗 韓仲志 徐 艷 熊 凱

        (青島農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院,山東 青島 266109)

        馬鈴薯自動(dòng)分級(jí)是提高馬鈴薯市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力和增值的重要途徑。隨著機(jī)器視覺技術(shù)的發(fā)展,該技術(shù)已廣泛應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)檢測(cè)過程中,使用機(jī)器視覺可以排除人為因素干擾,避免人工分級(jí)的不確定性,提高生產(chǎn)率和分級(jí)精度。目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者已在馬鈴薯自動(dòng)分級(jí)方面做了大量的研究工作。Marchant等[1]研制了一種根據(jù)尺寸對(duì)馬鈴薯進(jìn)行分級(jí)的系統(tǒng),分級(jí)速度為40個(gè)/s,但精度還不能滿足實(shí)際生產(chǎn)的需要。Deck等[2]按照形狀、尺寸和發(fā)綠程度對(duì)馬鈴薯進(jìn)行分類,其結(jié)果優(yōu)于統(tǒng)計(jì)分類方法。Tao等[3]研究了基于傅里葉形狀的馬鈴薯形狀分級(jí)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。Zhou等[4]開發(fā)了一個(gè)基于PC機(jī)的機(jī)器視覺系統(tǒng),該系統(tǒng)針對(duì)馬鈴薯的主要分類指標(biāo)進(jìn)行分級(jí),分級(jí)速率為50個(gè)/s,總的分級(jí)準(zhǔn)確率為86.5%。鄭冠楠等[5]根據(jù)外形特性,采用離心率法進(jìn)行馬鈴薯的形狀分級(jí)。雖然國(guó)外研究者[6,7]在馬鈴薯外觀品質(zhì)分級(jí)方面做了大量工作,但研究大多數(shù)集中在理論和方法研究階段,對(duì)于實(shí)時(shí)分級(jí)系統(tǒng)的研究并不多;中國(guó)[8]盡管已經(jīng)研制了一些馬鈴薯的分級(jí)設(shè)備,但由于分級(jí)效率低、性能不穩(wěn)定和適應(yīng)性差等問題,尚不能滿足實(shí)際生產(chǎn)的需要。

        為了實(shí)現(xiàn)馬鈴薯外觀品質(zhì)自動(dòng)分級(jí),本研究構(gòu)建馬鈴薯智能分級(jí)軟硬件平臺(tái),并參照馬鈴薯等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[9],提出了馬鈴薯外觀品質(zhì)分級(jí)檢測(cè)方法和流程,并基于Visual C++集成開發(fā)環(huán)境實(shí)現(xiàn)了馬鈴薯智能分級(jí)系統(tǒng)。

        1 馬鈴薯智能分級(jí)硬件系統(tǒng)

        馬鈴薯智能分級(jí)系統(tǒng)是在現(xiàn)有水果機(jī)械式分級(jí)系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加計(jì)算機(jī)視覺檢測(cè)系統(tǒng)和智能分級(jí)控制系統(tǒng)構(gòu)建而成。系統(tǒng)裝置如圖1所示,主要由輸送裝置、計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)、分級(jí)執(zhí)行系統(tǒng)、控制電路等部分組成。機(jī)器接通電源后,通過步進(jìn)電機(jī)5帶動(dòng)傳送帶12運(yùn)動(dòng)。馬鈴薯7放置在托盤6上隨傳送帶運(yùn)動(dòng)。每過一個(gè)托盤,光電傳感器11發(fā)送一個(gè)信號(hào)到智能控制器(下位機(jī))3,智能控制器接收到信號(hào)即發(fā)送信號(hào)到計(jì)算機(jī)(上位機(jī))2,上位機(jī)接收到信號(hào),控制工業(yè)攝像頭9進(jìn)行拍照,并將拍攝的圖像發(fā)送給上位機(jī)處理。上位機(jī)對(duì)所拍攝的圖像進(jìn)行處理并根據(jù)外觀特征檢測(cè)方法進(jìn)行分級(jí),得到分級(jí)結(jié)果(是否為次品),并將分級(jí)結(jié)果(0或1)發(fā)送給智能控制器。智能控制器接收到分級(jí)結(jié)果,若是1(次品)則發(fā)信號(hào)給次品區(qū)打果器14,打果器收到信號(hào)打翻托盤,馬鈴薯滾入次品收集區(qū)13。當(dāng)馬鈴薯經(jīng)過壓力傳感器10處時(shí),壓力傳感器獲取重量信息并發(fā)送到機(jī)械控制器4,機(jī)械控制器按照重量信息分級(jí),發(fā)送信號(hào)到重量等級(jí)出口的對(duì)應(yīng)等級(jí)的打果器,打果器打翻托盤,馬鈴薯則會(huì)進(jìn)入相應(yīng)重量等級(jí)的分級(jí)區(qū)15內(nèi)。

        圖1 分級(jí)系統(tǒng)示意圖Figure 1 Diagram of general scheme

        2 系統(tǒng)流程和分級(jí)控制方法

        智能分級(jí)系統(tǒng)分為4個(gè)模塊,分別為拍照控制模塊、圖像采集和預(yù)處理模塊、特征提取和檢測(cè)模塊以及分級(jí)控制模塊,系統(tǒng)流程見圖2。拍照控制模塊控制拍照時(shí)間間隔,保證每個(gè)馬鈴薯圖片拍攝1次;圖像采集和預(yù)處理模塊負(fù)責(zé)馬鈴薯圖像采集和預(yù)處理;特征提取和檢測(cè)模塊對(duì)形狀、綠皮和缺陷3個(gè)分級(jí)指標(biāo)進(jìn)行特征提取和量化分級(jí);分級(jí)控制模塊根據(jù)分級(jí)結(jié)果控制分級(jí)執(zhí)行器執(zhí)行分級(jí)結(jié)果。

        圖2 系統(tǒng)流程圖Figure 2 Flow diagram

        由于馬鈴薯在傳輸帶上運(yùn)動(dòng),分級(jí)時(shí)必須保證上位機(jī)發(fā)出的分級(jí)信號(hào)與分級(jí)執(zhí)行時(shí)間保持一致。由于機(jī)器運(yùn)行速度可調(diào),每個(gè)圖片的處理時(shí)間也不固定,由上位機(jī)確定發(fā)送分級(jí)信號(hào)的時(shí)間比較困難。為保證每個(gè)馬鈴薯圖片只拍攝1次且分級(jí)控制不受圖像處理時(shí)間的影響,本試驗(yàn)采用計(jì)數(shù)的方式來進(jìn)行分級(jí)控制。使用光電傳感器作為計(jì)數(shù)器,每經(jīng)過1個(gè)托盤,計(jì)數(shù)器加1(圖3(a)),同時(shí)下位機(jī)向上位機(jī)發(fā)送拍照控制信號(hào),上位機(jī)接收信號(hào)即控制攝像頭拍攝圖像,然后對(duì)所拍攝的圖像進(jìn)行處理和檢測(cè)分級(jí),最后將處理結(jié)果(0或1)發(fā)送給下位機(jī)(圖3(b))。下位機(jī)將信號(hào)保存在隊(duì)列中,構(gòu)成一個(gè)控制序列。并以固定的時(shí)間間隔(計(jì)數(shù)器加1)從隊(duì)頭取控制信號(hào),根據(jù)控制信號(hào)來執(zhí)行分級(jí)動(dòng)作,若為1,電磁鐵打果器通電,將托盤打翻,馬鈴薯翻滾到相應(yīng)等級(jí)的收集區(qū)(圖3(c))。

        圖3 分級(jí)控制流程圖Figure 3 Flow chart of grading process

        3 軟件系統(tǒng)

        軟件系統(tǒng)運(yùn)行界面如圖4所示,主界面分為4個(gè)區(qū)域:控制按鈕區(qū)、圖像監(jiān)視區(qū)、數(shù)據(jù)顯示區(qū)和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)區(qū)??刂瓢粹o區(qū)實(shí)現(xiàn)攝像頭的打開和關(guān)閉、開始檢測(cè)和關(guān)閉檢測(cè)及數(shù)據(jù)顯示等功能;圖像監(jiān)視區(qū)實(shí)時(shí)顯示監(jiān)控畫面和所拍攝的馬鈴薯圖像。數(shù)據(jù)顯示區(qū)分為基本數(shù)據(jù)區(qū)和綜合數(shù)據(jù)區(qū),基本數(shù)據(jù)區(qū)主要顯示馬鈴薯形狀、綠皮和缺陷3個(gè)指標(biāo)的檢測(cè)數(shù)據(jù),并顯示每個(gè)檢測(cè)指標(biāo)是否正常。綜合數(shù)據(jù)區(qū)顯示馬鈴薯的長(zhǎng)、寬、面積和等級(jí),統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)區(qū)主要顯示檢測(cè)到的馬鈴薯總數(shù)和正常馬鈴薯個(gè)數(shù)。

        對(duì)供試驗(yàn)的350個(gè)馬鈴薯運(yùn)行智能分級(jí)系統(tǒng),綜合形狀、顏色和缺陷3個(gè)方面特征進(jìn)行檢測(cè),只要具有畸形(二次生長(zhǎng))、綠皮、缺陷其中任何一種情形就判定為次品,否則為正常薯塊。根據(jù)這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)350個(gè)馬鈴薯進(jìn)行測(cè)試,誤判個(gè)數(shù)為35個(gè),綜合檢測(cè)準(zhǔn)確率為90%。

        在Intel酷睿i3 3110M2.5GHz CPU,2GB內(nèi)存硬件條件下進(jìn)行馬鈴薯綜合檢測(cè)速度測(cè)試,每個(gè)馬鈴薯檢測(cè)時(shí)間約為40ms,每秒可處理約25個(gè)馬鈴薯,能夠滿足實(shí)時(shí)檢測(cè)的需求。

        圖4 軟件運(yùn)行界面Figure 4 GUI of software

        4 討論和結(jié)論

        機(jī)器運(yùn)行時(shí)步進(jìn)電機(jī)的強(qiáng)電會(huì)對(duì)分級(jí)控制裝置(單片機(jī))的弱電造成強(qiáng)烈的干擾,本研究采取了將控制裝置增加抗干擾電路、將控制器安裝在封閉的金屬盒之中以及分離電源等措施,基本上消除了干擾,但在生產(chǎn)線調(diào)速過程中偶爾存在著輕微干擾,原因可能是在步進(jìn)電機(jī)變速的瞬間產(chǎn)生了較大磁場(chǎng)干擾了電路,下一步考慮選用可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)的PLC控制器[10]。同時(shí),步進(jìn)電機(jī)的強(qiáng)電會(huì)對(duì)攝像頭造成干擾,影響拍照質(zhì)量,采用將燈箱接地的方式基本消除了干擾。

        本系統(tǒng)是在已有機(jī)械分選機(jī)的基礎(chǔ)上改造而成的,加入智能分級(jí)控制系統(tǒng)后,跟原來的機(jī)械控制系統(tǒng)之間會(huì)存在不一致性現(xiàn)象。次品馬鈴薯在第一步根據(jù)外觀特征已被揀出,但原有的機(jī)械控制系統(tǒng)仍然按照壓力傳感器采集的重量信息分級(jí),所以分級(jí)系統(tǒng)會(huì)存在 “空打”的現(xiàn)象,雖然不影響分級(jí)結(jié)果,但仍需要改進(jìn)。下一步采取的措施是,若某個(gè)馬鈴薯檢測(cè)為次品,則將壓力傳感器的信號(hào)屏蔽掉,這樣馬鈴薯作為次品檢出后,將不會(huì)再按照重量進(jìn)行分級(jí)。

        由于馬鈴薯在傳輸過程中相對(duì)于托盤上固定不動(dòng),安裝在正上方的攝像頭只能獲取馬鈴薯上部圖像,從而影響檢測(cè)結(jié)果。研究中嘗試采用在傳送帶兩側(cè)加上鏡子的方式[11],可以同時(shí)拍攝馬鈴薯正面和兩個(gè)側(cè)面的圖像,這樣在一定程度上擴(kuò)大馬鈴薯表面信息的獲取,但拍攝傳送帶上馬鈴薯底面圖像還是比較困難。如何獲取比較完整的馬鈴薯表面圖像信息,從而提高分級(jí)準(zhǔn)確率有待于下一步深入研究。

        為實(shí)現(xiàn)馬鈴薯實(shí)時(shí)檢測(cè)和分級(jí),本試驗(yàn)構(gòu)建了馬鈴薯智能分級(jí)硬件裝置,設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單易行的馬鈴薯智能分級(jí)控制方法,提出了基于外觀品質(zhì)檢測(cè)方法和流程,并基于Visual C++集成開發(fā)環(huán)境實(shí)現(xiàn)了馬鈴薯智能分級(jí)系統(tǒng)。結(jié)果表明,本試驗(yàn)所構(gòu)建的馬鈴薯智能分級(jí)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,所提出分級(jí)控制方法簡(jiǎn)單易行,系統(tǒng)的綜合分級(jí)準(zhǔn)確率可達(dá)到90%,能夠滿足實(shí)時(shí)檢測(cè)的需求。

        1 Marchant J A,Onyango C M,Street M J.High speed sorting of potatoes using computer vision[J].Transaction of the ASAE,1998,41(9):3 528~3 540.

        2 Deck S H,Morrow C T,Heinemann P H,et al.Comparison of a neural network and traditional classifier for machine vision inspection of potatoes[J].Applied Engineering in Agriculture,1995,11(2):319~326.

        3 Tao Y,Morrow C T,Heinemann P H,et al.Fourier-based separation technique for shape grading of potatoes using machine vision[J].Transactions of the ASAE,1995,38(4):949~957.

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        9 中華人民共和國(guó)農(nóng)業(yè)部.NY/T 1066-2006馬鈴薯等級(jí)規(guī)格[S].北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社,2006.

        10 李英輝,曲昀卿,崔成,等.傳送帶PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2013,35(4):128~129.

        11 周竹,黃懿,李昱.基于機(jī)器視覺的馬鈴薯自動(dòng)分級(jí)方法[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2012,28(7):178~182.

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