陳善為，余建安，邵夢甜，李 萍，王小梅

（寶雞文理學(xué)院 教育學(xué)院，陜西 寶雞 721016）

隨著人們生活水平的不斷提高，在外就餐越來越普遍，但是，在點(diǎn)餐過程中，商家更多是出于經(jīng)濟(jì)利益的驅(qū)使而非人性化考慮下單，再加上消費(fèi)者健康飲食觀念的缺失，導(dǎo)致顧客對飲食的熱量、含糖量等飲食特性缺乏了解，容易產(chǎn)生用餐浪費(fèi)以及不健康飲食的問題。這與當(dāng)前倡導(dǎo)的健康生活方式、構(gòu)建節(jié)約型社會的理念相悖。本研究嘗試將機(jī)器視覺技術(shù)引入餐飲過程，設(shè)計(jì)一種基于機(jī)器視覺的點(diǎn)餐自動提示器，為顧客提供客觀科學(xué)的數(shù)據(jù)，便于點(diǎn)餐時進(jìn)行參考。

1 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

機(jī)器視覺是指利用機(jī)器代替人眼來做測量和判斷的一種技術(shù)[1]。設(shè)備首先利用機(jī)器視覺對消費(fèi)者的身高和體型予以測量，然后根據(jù)他們的體型特征做出相關(guān)判斷，進(jìn)一步推測出消費(fèi)者的胖瘦、體重等信息，判斷消費(fèi)者的飲食需求，給出最終的用餐建議。在它的設(shè)計(jì)過程中主要涉及光學(xué)成像、自動控制、數(shù)字圖像處理、計(jì)算機(jī)等相關(guān)理論和技術(shù)。在此就以上技術(shù)在本裝置中的應(yīng)用予以分析：

1.1 硬件技術(shù)

1）光源

光源設(shè)計(jì)是該提示器的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，它為提示器的成像裝置提供了穩(wěn)定可靠的光源。因?yàn)楣庠粗苯幼饔糜谔崾酒鞯脑紙D像信息輸入，對輸入圖像的質(zhì)量有直接影響，關(guān)系著裝置的準(zhǔn)確性和實(shí)用性。有效的光源設(shè)計(jì)一方面可以使待檢測的目標(biāo)人群特征突出，同時抑制不必要的干擾，另一方面也能為點(diǎn)餐自動提示器的后期圖像處理提供保障。

光源設(shè)計(jì)從三方面加以考慮，光源選擇、光源的結(jié)構(gòu)特性、光反射環(huán)境的傳送特性[2]。由于點(diǎn)餐自動提示器主要作用于餐飲消費(fèi)者，對穩(wěn)定性要求較高，因此在本裝置中著重考慮光源的選擇。在綜合考慮各種因素后，本裝置最終采用穩(wěn)定性好，亮度高，能耗較低的LED作為主光源。

2）鏡頭

鏡頭是整個系統(tǒng)與目標(biāo)人群距離最近的部件，鏡頭的質(zhì)量直接關(guān)系到本裝置的整體性能。因此合理選擇并安裝鏡頭是保證該系統(tǒng)的成像裝置在清晰成像的同時獲得高精度圖像信號的基礎(chǔ)。鏡頭在設(shè)計(jì)中應(yīng)注意以下3個問題：

①保持合理的物距，以便獲得對象特征。

②要求鏡頭還原準(zhǔn)確，畸變小[3]。

③要求鏡頭在保持小畸變的同時盡量提供大視野，這樣便于后期圖像處理。

3）攝像機(jī)

攝像機(jī)也是該系統(tǒng)的核心部件，它相當(dāng)于這個裝置的眼睛。在本裝置中著重解決攝像機(jī)的選擇問題。在選擇機(jī)器視覺系統(tǒng)中的攝像機(jī)時，除了考慮光電轉(zhuǎn)換元件外，還應(yīng)考慮系統(tǒng)運(yùn)行周期、檢測的視角、測量精度、掃描方式、接口類型等因素[4]。

4）圖像采集卡

圖像采集卡是整個系統(tǒng)的心臟，承載著圖像的收集和處理等任務(wù)。由于本裝置攝像機(jī)獲取的信號屬于模擬信號，不能被計(jì)算機(jī)直接識別和處理，需要圖像采集卡對攝像機(jī)搜集的模擬信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，生成能被計(jì)算機(jī)處理的數(shù)字信號[5]。圖像采集卡必須能和攝像機(jī)協(xié)同工作，并能實(shí)時采集和轉(zhuǎn)換大量的圖像數(shù)據(jù)，因此對它的性能要求較高。

5）微型液晶顯示器

微型液晶顯示器處于本系統(tǒng)的末端，是本裝置的人機(jī)交互界面。它主要將前述各環(huán)節(jié)處理的目標(biāo)人群的身高、體型等信息特征和點(diǎn)餐自動提示器所依據(jù)此特征做出的餐飲建議呈現(xiàn)出來，為消費(fèi)者提供一個可視化的信息呈現(xiàn)平臺。

1.2 軟件技術(shù)

該系統(tǒng)的軟件部分主要涉及圖像處理和視覺信息處理。前述機(jī)器視覺系統(tǒng)的前端環(huán)節(jié)，包括光源、鏡頭、攝像機(jī)等，都是為最終的視覺信息處理準(zhǔn)備素材。機(jī)器視覺系統(tǒng)通過對圖像的處理、分析和識別實(shí)現(xiàn)對特定目標(biāo)和特征的檢測[6]。在本設(shè)計(jì)中該技術(shù)的具體應(yīng)用是：利用圖像處理軟件，對圖像采集卡采集的原始圖像予以圖像顯化、圖像分割、容差設(shè)置、亮度飽和度調(diào)節(jié)等一系列處理，優(yōu)化圖像的可視效果；然后，由計(jì)算機(jī)按照預(yù)定程序?qū)D像的視覺信息進(jìn)行精細(xì)化計(jì)算，用以獲得對目標(biāo)人群的客觀描述，為整個點(diǎn)餐自動提示器設(shè)計(jì)提供精確的信息支持，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)目標(biāo)。

2 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖Fig.1 Principle diagram of the system structure

在“基于機(jī)器視覺的點(diǎn)餐自動提示器”設(shè)計(jì)中，首先光源依據(jù)其穩(wěn)定性、輔助性的設(shè)計(jì)要求照射目標(biāo)人群，為攝像機(jī)提供清晰的光源環(huán)境；然后讓攝像機(jī)拍攝目標(biāo)人群圖像，并利用圖像采集卡將接收到的模擬圖像信號，轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)所能識別的數(shù)字圖像信號，傳送給圖像處理系統(tǒng)；緊接著圖像處理系統(tǒng)對這些信號進(jìn)行綜合運(yùn)算并抽取目標(biāo)的特征；最后，將目標(biāo)特征與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫特征數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，得出結(jié)果，顯示最終的點(diǎn)餐建議，具體執(zhí)行情況如下：

1）圖像的獲取

裝載于自動點(diǎn)餐提示器上的攝像機(jī)拍攝置于穩(wěn)定LED光源下的目標(biāo)，獲得目標(biāo)圖像，將目標(biāo)的可視化圖像和內(nèi)在特征轉(zhuǎn)換成能被計(jì)算機(jī)處理的數(shù)據(jù)，它直接影響到系統(tǒng)的穩(wěn)定性和最終結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2）圖像的處理

點(diǎn)餐自動提示器在獲得目標(biāo)的圖像后，內(nèi)置圖像處理軟件即對圖像進(jìn)行優(yōu)化處理，包括平滑、銳化、分割、匹配及編碼等[7]。經(jīng)過這些處理后，輸出圖像的質(zhì)量得到改善，以便于后續(xù)步驟依據(jù)圖像進(jìn)行特征提取。

3）特征的提取

自動點(diǎn)餐提示器中的圖像處理裝置對圖像進(jìn)行識別、量化，利用控制程序?qū)⑦@些量化后的數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫中預(yù)設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)特征進(jìn)行比對，為下一步的信息整合和控制提供數(shù)據(jù)源。

4）信息整合和控制

基于圖像處理的控制程序根據(jù)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、得出結(jié)論，并將目標(biāo)的最終信息整合出來傳送給顯示器呈現(xiàn)。

5）信息的呈現(xiàn)

顯示器顯示目標(biāo)特征，提供最終建議。

3 設(shè)計(jì)實(shí)踐

實(shí)驗(yàn)小組對本裝置的原型系統(tǒng)進(jìn)行了小規(guī)模的應(yīng)用，從對五十名在校大學(xué)生測試后的數(shù)據(jù)分析來看，有近三十名同學(xué)依據(jù)體型特征給出的人工建議與本裝置的預(yù)測結(jié)果一致，該設(shè)計(jì)在初次實(shí)驗(yàn)中的精確度接近60%，設(shè)計(jì)的預(yù)期效果基本達(dá)到。

不過，由此也能看出本設(shè)計(jì)的精確度有相當(dāng)大的提升空間，也從側(cè)面反映出設(shè)計(jì)中存在的一些函待解決的問題如：目標(biāo)人群的流動性對系統(tǒng)造成的干擾、系統(tǒng)穩(wěn)定性隨運(yùn)行周期延長而下降、信息呈現(xiàn)平臺的靈敏度等。

4 結(jié)束語

“基于機(jī)器視覺的點(diǎn)餐自動提示器”設(shè)計(jì)是一次將機(jī)器視覺技術(shù)應(yīng)用于餐飲領(lǐng)域的嘗試，該設(shè)計(jì)的各個組成部分緊密聯(lián)系，從光源的設(shè)計(jì)、鏡頭及圖像采集卡的選擇再到圖像處理控制系統(tǒng)，彼此匹配協(xié)同工作才能在獲得理想圖像的基礎(chǔ)上得到最終的點(diǎn)餐提示。該提示器系統(tǒng)是一個集光學(xué)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等于一體的綜合系統(tǒng)，為了獲得良好的性能表現(xiàn)，在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)當(dāng)格外注重系統(tǒng)的整體性和協(xié)調(diào)性設(shè)計(jì)。此外，由于機(jī)器視覺技術(shù)的制造成本較高，想要使該設(shè)計(jì)有好的應(yīng)用前景，在未來的發(fā)展過程中如何突破技術(shù)瓶頸，降低生產(chǎn)成本，也是應(yīng)該考慮的問題。

科技改變生活，相信有一天類似“基于機(jī)器視覺的點(diǎn)餐自動提示器”的技術(shù)會最終走向大眾化，使人們擁有更加健康、文明的消費(fèi)生活。

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